Способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания
Использование: электрооборудование двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ заключается в том, что топливо и окислитель предварительно обрабатывают в сильном электрическом поле с Е 1 кВ/см, воспламеняют подаваемую в камеру сгорания топливовоздушную смесь и воздействуют на нее сильным электрическим полем, напряженность и частоту которого регулируют в зависимости от высоты подъема поршня, температуры горения, степени токсичности выхлопных газов. Технический результат: интенсификация процессов горения топливной смеси в ДВС. 2 ил.
Изобретение относится к двигателестроению и одновременно к экологическим способам снижения токсичности выхлопных газов и в случае его использования может привести к созданию экологически чистого двигателя внутреннего сгорания (ДВС), как карбюраторного, так и дизельного типов.
Главная проблема неэкономичности ДВС и высокой токсичности их выхлопных газов (ВГ) состоит в неполном сгорании топливовоздушной смеси в камерах двигателя, особенно в напряженных его режимах работы (форсаж, непрогретый двигатель, максимальные обороты, дефектный двигатель со значительным износом поршневой группы и др).
Сложность полного дожига топливовоздушной смеси в камерах даже исправного двигателя при нормальных оборотах состоит в относительно коротких интервалах времени рабочего хода поршня (ней) — сотые доли секунды, а также в неодинаковости условий воспламенения смеси по объему камеры.
Известны различные способы интенсификации процесса горения топливовоздушной смеси в камерах ДВС, например, многоискровое, «электронное зажигание» для карбюраторных ДВС, повышение давления воздуха в камерах путем его турбонаддува в дизельных ДВС (см. книгу Якубовского «Автомобиль и охрана окружающей среды», М., 1986, с. 39). В последние годы многие западные автомобильные фирмы стали применять систему «электронного впрыска» топливовоздушной смеси в камеры ДВС, суть которого состоит в автоматическом изменении дозировок топлива и окислителя, а также регулировании угла опережения зажигания в каждый из цилиндров камеры ДВС, в зависимости от режимов работы двигателя и даже с учетом характера трассы движения.
Результатами применения «электронного впрыска» явились повышение экономичности двигателя, снижение уровня токсичности выхлопных газов на 10-20%.
Однако проблема создания экологически чистого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) пока не решена, доказательством тому является повсеместное применение на западных карбюраторных автомобилях дорогостоящих химических сотовых катализаторов с платиновым покрытием.
Цена такого катализатора — порядка 1000 долл. с установкой, и время работы — около года непрерывной работы.
Однако такие катализаторы непременимы на ДВС, работающих на этилированном бензине, т. е. у нас в России, и в принципе неприменимы для дизельного транспорта ввиду наличия сажевой компоненты, покрывающей каталитическое покрытие и разрушающей ее.
Целью изобретения является интенсификация процессов горения топливной смеси в камерах ДВС до практически ее полного сгорания, что приведет к резкому снижению уровня токсичности ВГ, повышению экономичности потребления ДВС как по топливу, так и по окислителю.
Предложен способ интенсификации работы ДВС путем первоначальной обработки топлива и окислителя, например воздуха, сильным электрическим полем с E 1 кВ/см, затем электростатически распыляют топливо в камеру, с последующим воспламенением топливовоздушной смеси в камерах сгорания, например, электроискровым способом, причем с момента воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания на нее накладывают упомянутое сильное электрополе, например, в продольном направлении по оси хода поршня, причем регулируют напряженность и частоту ( или стабилизируют) в зависимости от объема камеры, заполненного горящей топливовоздушной смесью, а также в зависимости от температуры горения топливовоздушной смеси, степени токсичности отходящих ВГ, причем в конце рабочего хода поршня электрополе отключают.
Для осуществления предложенного способа изменяют конструкцию ДВС, конкретно, камеру сгорания и поршень, а именно: наносят электроизоляционный слой (покрытие) на боковые поверхности камеры и поршня, а торцевые рабочие поверхности камеры и поршня покрывают электропроводящим, жаропрочным, антикоррозионным, износостойким покрытием, например, на основе легированных карбидных сталей, причем электрополе подключают через электроизоляторы к упомянутым электропроводящим поверхностям камеры и поршня, причем надежно электроизолируют ДВС от корпуса транспорта, например, подвешивают ДВС к раме транспорта на упругих электроизоляторах, а также изолируют соединения поршня с шатуном и коленвалом.
Предложенный способ поясняется фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана в разрезе камера внутреннего сгорания ДВС, в среднем положении поршня его рабочего хода ДВС.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы изменения параметров электрического поля ( напряжение, напряженность, частота) в зависимости от режима работы ДВС при реализации предложенного способа.
На фиг. 1 показана конструкция модернизированной камеры сгорания и блок-схема устройства получения и регулирования электрополя, в совокупности реализующие предложенный способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС).
Модернизированная камера сгорания состоит из внешнего корпуса 1, покрытого изнутри и по боковым поверхностям надежным электроизоляционным покрытием 2, например, на основе металлокерамики, имеющая поршень 3, покрытый электропроводящим, жаропрочным, антикоррозионным, износоустойчивым слоем 4.
Аналогичное покрытие наносится на торцевую внутреннюю поверхность камеры сгорания, причем электрополе подводят к упомянутым электропроводящим поверхностям камеры и поршня, посредством проводников, размещенных внутри электроизоляторов 5, надежно электроизолирующих поверхности 4 от камеры сгорания 1. Позицией 6 обозначена (горящая) топливовоздушная смесь; позицией 7 — патрубок для всасывания топливовоздушной смеси, а позицией 8 — патрубок для выпуска отработанных ВГ ДВС.
На фиг. 1 условно показаны также датчики температуры отходящих газов и состава их токсичности 9, подключенные через функциональный преобразователь 10 на вход системы управления высоковольтным преобразователем напряжения (ВПН) 11, и далее на вход управления ВПН 12 (источник электрополя), выходы которого присоединены к электропроводящим поверхностям поршня и камеры 4, причем на входы функционального преобразователя 10 и системы управления ВПН 11 присоединены также выходы датчиков распределителя импульсов 13 (зажигание), а также: Т — топливо; В — воздух; ВГ — выхлопные газы.
На фиг. 1 для примера показана камера сгорания карбюраторного ДВС, причем для простоты чертежа устройство электроэажигания( свеча зажигания, блок электронного зажигания) не приведено.
На фиг. 1 показана также текущая высота подъема поршня h относительно торцевой внутренней электропроводящей поверхности камеры сгорания при рабочем ходе поршня.
Предложенный способ реализуется следующим образом: вначале обрабатывают окислитель, например воздух и топливо, например соляру или бензин, сильным электрополем с E 1 кВ/см, например, воздух — в воздушном фильтре (на фиг. 1 не показано), затем, после воспламенения топливовоздушной смеси 6 в камере сгорания 1 (начало рабочего хода поршня 3) накладывают на упомянутую топливовоздушную смесь 6 сильное продольное электрополе от ВПН 12 посредством проводников, присоединенных внутри электроизоляторов 5, подключенных к внутренней электропроводящей поверхности камеры 4 жестко неподвижно, а к поршню 3 через его шток (позицией не обозначен) жестко подвижно, например, через металлическую пружину.
Далее регулируют потенциалы электрополя от блока ВПН 12 в зависимости от, например, высоты подъема h поршня 3, либо от объема рабочего пространства камеры 1 по мере подъема поршня 3, а также дополнительно регулируют напряженность E электрополя внутри камеры 1 в зависимости от температуры Т горящей топливовоздушной смеси 6 и состава отходящих ВГ 8, для чего измеряют эти параметры датчиками 9 и вырабатывают управляющие воздействия на изменение электрополя посредством функционального преобразователя 10. В конце рабочего хода поршня 3 источник электрополя 12 отключают от бортовой электросети (12; 24 В) и с начала нового рабочего хода поршня процедуру, описанную ранее, повторяют. Отметим также, что синхронизация команд на подачу импульсов зажигания (для карбюраторных двигателей) либо впрыскивания топлива (для дизеля) осуществляют, как обычно, посредством команд от распределителя импульсов 13, например, механически связанного с распредвалом двигателя.
Для лучшего понимания существа предложенного изобретения поясним более подробно конструктивно-схемное решение модернизированного ДВС.
Обеспечение электроизоляционного покрытия внутренней поверхности 2 камеры сгорания 1 наиболее просто и целесообразно осуществить путем впрессовывания фарфорового стакана (цилиндра) с дном, а создание электропроводящей внутренней поверхности 4 камеры сгорания 1 обеспечить путем дополнительного впрессовывания в упомянутый фарфоровый стакан 2 электропроводящего, жаропрочного, износостойкого тонкого диска 4. Аналогичный диск напыляют или приваривают к внутренней поверхности поршня 3.
Высоковольтный преобразователь напряжения (ВПН) 12 может быть выполнен в виде индуктивного повышающего автогенератора напряжения, например, по схеме блокинг-генератора, либо по схеме двухтактного автогенератора Ройера с широтно-импульсным регулированием выходного напряжения путем изменения угла управления.
Функциональный преобразователь 10 в простейшем варианте представляет собой электронный генератор пилообразного напряжения, работающий в «ждущем» режиме с регулируемой амплитудой «пилы» и частотой пилообразного напряжения, управляемыми аналоговыми сигналами с датчиков режима ДВС 10.
Система управления 11 выполнена многоканальной, с количеством каналов, равным числу рабочих камер ДВС, например, 1;2;4;8, и может представлять собой пересчетную триггерную кольцевую схему с широтно-импульсным регулированием.
В простейшем варианте рассматриваемая схема содержит несколько ВПН, также равные количеству камер сгорания, однако, возможен также вариант использования всего одного или двух ВПН в случае введения в схему устройства высоковольтного электронного переключателя.
Повышение интенсивности и качества сгорания топливовоздушной смеси 6 достигается в предложенном способе благодаря эффективному силовому Кулоновскому взаимодействию заряженных частиц и радикалов горящей топливовоздушной смеси в упомянутом электрическом поле, а также благодаря введению «свежих» электронов и ионов с электропроводящих поверхностей 4 в пламя 6, что приводит к резкому увеличению центров цепных реакций горения, активному перемешиванию и дроблению частиц топлива и окислителя, многократному повышению скорости горения, и, как следствие, более полному сгоранию топливовоздушной смеси за время рабочего хода поршня.
Данный эффект автором проверен экспериментально на лабораторном макете в 1993 г.
Дополнительным положительным эффектом предлагаемого способа, в случае его реализации в существующих ДВС, является существенное снижение потребления топлива и окислителя для получения той же теплоты сгорания и мощности двигателя, поскольку в существующих двигателях степень сгорания топливовоздушной смеси не более 60%; резкое снижение потребления воздуха в 2-5 раз становится возможным в нашем случае ввиду многократного возрастания окислительной способности озонированного окислителя (в 80 раз). Получение озонированного воздуха в нашем способе достигается в два этапа, а именно: вначале озонируют воздух на входе в камеру сгорания; затем озонируют в самой камере сгорания, вследствие взаимодействия диполей и молекул воздуха с сильным электрическим полем.
Предложенный способ позволяет осуществить эффективную очистку отходящих ВГ ДВС, вообще без внешних устройств очистки ВГ на любых режимах работы, включая форсированный, поскольку в предложенном способе введена операция управления интенсивности дожига топливовоздушной смеси сильным электрополем, в зависимости от качества и состава ВГ.
Перспективой применения предлагаемого способа карбюраторного ДВС с «электронным впрыском» состоит в устранении системы электрического зажигания смеси в рабочей камере ДВС (свечи зажигания, катушки зажигания и др.), т.е. превращении карбюраторного ДВС в «квазидизель», поскольку изменением напряженности электрополя на подходе к «мертвой» точке поршня, можно создать условия электропробоя топливовоздушной смеси равномерно по всему объему рабочего пространства камеры, что наряду с упрощением электрооборудования ДВС создает практически идеальные условия равномерно по всему объему, воспламенения топливовоздушной смеси.
На фиг. 2 приведены типовые временные диаграммы (циклограммы) работы источника электрополя за рабочий ход поршня 2-х тактного ДВС.
Для эффективности взаимодействия электрополя, подаваемого внутрь камеры сгорания с топливовоздушной смесью на этапе ее горения, целесообразно электропроводящие поверхности выполнить шероховатыми с одинаковой конфигурацией шипов для повышения тока эмиссии.
Формула изобретения
Способ интенсификации работы двигателя внутреннего сгорания путем предварительной обработки окислителя и топлива с последующим их интенсивным впрыском в камеры сгорания, например, одновременно — в карбюраторном двигателе или поочередно — в дизельном двигателе, отличающийся тем, что первоначально топливо и окислитель обрабатывают в сильном электрическом поле с E 1 кВ/см, например, в воздушном и топливном фильтрах, затем электростатически распыляют топливо с регулируемым давлением в камеру сгорания, после чего воспламеняют топливовоздушную смесь и одновременно накладывают на горящую топливовоздушную смесь упомянутое сильное электрическое поле, например, в продольном направлении по оси хода поршня, причем регулируют (или стабилизуют) напряженность и частоту электрополя в зависимости от высоты подъема поршня, а также в зависимости от температуры горения топливовоздушной смеси, степени токсичности отходящих выхлопных газов, причем в конце рабочего хода поршня электрополе отключают.
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2
Двигатель внутреннего сгорания | Частная школа. 8 класс
Конспект по физике для 8 класса «Двигатель внутреннего сгорания». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое двигатель внутреннего сгорания. Как устроен двигатель внутреннего сгорания и как он работает.
Конспекты по физике Учебник физики Тесты по физике
Существует несколько видов тепловых двигателей, которые можно разделить на двигатели внешнего сгорания и двигатели внутреннего сгорания.
ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно рациональным. Сущность его состояла в уменьшении потерь энергии за счёт перенесения места сжигания топлива и нагрева рабочего тела внутрь цилиндра. Отсюда и происхождение названия «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС). Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.
Двигатель внутреннего сгорания — один из самых распространённых двигателей. Он приводит в движение автомобили, тракторы, тепловозы, теплоходы и т. д.
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром. КПД его двигателя был равен всего 3,3 %. Однако благодаря развитию инженерной мысли в короткие сроки он был значительно усовершенствован.
Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении. Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в 1886 г. Г. Даймлером. В том же году появился трёхколёсный автомобиль К. Бенца. Их скорость достигала 18 км/ч. В 1892 г. свой первый автомобиль построил Г. Форд.
УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Рассмотрим простейший двигатель внутреннего сгорания. Он состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединённый с шатуном (шатун — деталь механизма, предназначенная для соединения с коленчатым валом).
Шатун насажен на коленчатый вал и приводит его во вращение при движении поршня в цилиндре.
В верхней части цилиндра имеются два отверстия, в которые вставлены клапаны — впускной и выпускной.
При работе двигателя по мере необходимости клапаны открываются и закрываются.
Через них в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а также выходят отработанные газы.
ЧЕТЫРЕ ТАКТА РАБОТЫ ДВС
Крайние положения поршня в цилиндре называют мёртвыми точками, а расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, — ходом поршня. Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня — четыре такта, поэтому такие двигатели называют четырёхтактными. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.
■ Первый такт — впуск. Поршень движется сверху вниз от верхней мёртвой точки в нижнюю. Объём над поршнем увеличивается, и давление газа в цилиндре над ним уменьшается. Впускной клапан открывается, и через него поступает горючая смесь (смесь паров бензина и воздуха). Выпускной клапан при этом закрыт. Когда поршень приходит в нижнюю мёртвую точку, впускной клапан закрывается.
■ Второй такт — сжатие. При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Оба клапана закрыты. Когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.
■ Третий такт — рабочий ход. При сгорании горючей смеси выделяется большое количество теплоты. Температура газообразных продуктов сгорания достигает 1600—1800 °С. Давление на поршень при этом возрастает.
Расширяясь, газ толкает поршень, а вместе с ним и коленчатый вал с насаженным на него массивным маховиком, совершая при этом механическую работу. При этом газ охлаждается, так как часть его внутренней энергии превращается в механическую. Получив сильный толчок, маховик продолжает вращаться по инерции и перемещает, посредством коленчатого вала, поршень при последующих тактах.
■ Четвёртый такт — выпуск. Поршень движется вверх, выталкивая через открытый выпускной клапан отработанный газ. В конце четвёртого такта выпускной клапан закрывается. Затем цикл повторяется.
ДИЗЕЛЬНЫЕ И КАРБЮРАТОРНЫЕ ДВС
Двигатели внутреннего сгорания подразделяются на дизельные и карбюраторные. Основное их отличие заключается в способе подачи топливо-воздушной смеси в цилиндр и способе её воспламенения. Дизельные двигатели являются наиболее экономичными тепловыми двигателями: они работают на дешёвых видах топлива и имеют КПД 30—50 %. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания имеют довольно низкий КПД — 25—30 %.
В карбюраторном двигателе горючая смесь готовится вне двигателя в специальном устройстве — карбюраторе и из него поступает в двигатель, в необходимый момент поджигаясь свечой зажигания.
В дизельном двигателе воздух попадает в цилиндр отдельно от топлива и затем сжимается. Из-за высокой степени сжатия, когда воздух нагревается до температуры самовоспламенения дизельного топлива (700—800 °С), оно впрыскивается в камеры сгорания форсунками под большим давлением.
Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Двигатель внутреннего сгорания».
Вернуться к Списку конспектов по физике (Оглавление).
Просмотров: 11 774
№ 2969: Октановое число
Сегодня обычный или премиальный? Инженерный колледж Университета Хьюстона представляет серию статей о машинах, на которых работает наша цивилизация, и о людях, чья изобретательность их создала.
Всякий раз, когда вы останавливаетесь, чтобы купить бензин для своей машины, вы сталкиваетесь с вопросом: какой марки бензина купить? Обычный или один из премиум-классов? Если вы похожи на меня, вы, вероятно, полагаетесь на обычные, потому что они дешевле.
Для ответа нам нужно немного понять, как работают бензин и двигатели. Мощность создается в двигателе автомобиля путем воспламенения газа, смешанного с воздухом, для создания контролируемого взрыва. Физика говорит нам, что мы можем получить более мощный взрыв, предварительно сжав газ. На самом деле, если мы достаточно сожмем газ, он взорвется без необходимости поджигать его. По этому принципу построены дизельные двигатели. Газовые двигатели — нет. Им нужна свеча зажигания, чтобы начать взрыв.
Поршни двигателей внутреннего сгорания частичного сечения (Mj-bird/Wikipedia)
Пока нормально. Но вот поворот. Слишком сильно выдавите бензин в двигателе вашего автомобиля, и, как и дизель, бензин может взорваться, не загоревшись. Для бензинового двигателя это нехорошо. Вам нужен приятный, плавный взрыв, вызванный свечой зажигания. Когда происходят нежелательные взрывы сжатия, можно услышать слышимый стук.
Заправочный насос с пятью октановыми числами (изображение из Википедии)
Теперь мы можем ответить на наш первоначальный вопрос: в чем преимущество покупки бензина премиум-класса? Для большинства людей ничего. Нет никакой пользы, если смотреть только на октановое число.
Автомобильные двигатели предназначены только для сжатия газа. Роскошные и высокопроизводительные автомобили сильно сжимают газ, чтобы достичь таких вещей, как более быстрое ускорение. Однако большинство автомобилей спроектированы так, чтобы сжимать газ гораздо меньше. На обычном бензине нормально.
Премиум, с его дополнительной устойчивостью к нежелательным взрывам сжатия, не помогает. Это решает проблему, которой у большинства автомобилей просто нет.
BMW 650i с откидным верхом (изображение из Википедии)
Задний Ford Fusion (изображение из Википедии)
Конечно, октановое число — это только один из показателей бензина. Разные бензины содержат разные присадки, которые обеспечивают чистоту двигателя и его бесперебойную работу. То, что на самом деле находится в сорте газа, зависит от компании, которая его производит, и значительные исследования были направлены на создание все более совершенных присадок. Компании гордятся своими достижениями. Но в отличие от прошлого, все газы содержат присадки для очистки двигателя, соответствующие стандартам EPA. Независимо от того, что вы используете, ваш двигатель получает определенный уровень защиты.
Так какой бензин купить? Прочитайте руководство пользователя и убедитесь, что вы получаете правильный уровень октанового числа.
Просто помните, что более высокое октановое число само по себе не помогает.
Я Энди Бойд из Хьюстонского университета, где нас интересует, как работают изобретательные умы.
(Музыкальная тема)
Примечания и ссылки:
Бензиновые двигатели сжимают воздушно-газовую смесь, как указано в первоначальном описании того, что сжимается. После этого для упрощения чтения используется «газ», а не «воздушно-газовая смесь». Дизельные двигатели сжимают воздух, а затем впрыскивают газ. Горячий сжатый воздух вызывает воспламенение газа.
М. Мозг. Что означает октан? С веб-сайта How Stuff Works: http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/fuel-consumption/question90.htm По состоянию на 2 сентября 2014 г.
Ф. Маркус. «Обычный или премиум-класс?» Автомобиль и водитель , ноябрь 2001 г. См. также: http://www.caranddriver.com/features/regular-or-premium. По состоянию на 2 сентября 2014 г.
Впервые этот выпуск вышел в эфир 28 августа 2014 г.
Патент США на поршневой двигатель внутреннего сгорания с генератором Патент (Патент № 11 085 370, выдан 10 августа 2021 г.)
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к поршневому двигателю внутреннего сгорания в сочетании с генератором, состоящим из двухцилиндрового двигателя или двигателя с умножением на два цилиндра с двумя коленчатыми валами, для подзарядки аккумуляторов в транспортных средствах или самолетах с минимальной вибрацией во время операция, так называемый расширитель диапазона.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для привода генератора используются поршневые двигатели внутреннего сгорания различных типов. Используются одно- и многоцилиндровые агрегаты. Практически каждый двигатель может быть соединен с генератором, поэтому обычно используются двигатели внутреннего сгорания на основе двигателей для привода других устройств.
Обычно они имеют один коленчатый вал и приводят в движение один генератор. Эти конструкции, хотя и многоцилиндровые и хорошо сбалансированные по силам инерции, обладают крутильными колебаниями, которые вызываются отдельными событиями зажигания в цилиндрах двигателя и непосредственной реакцией блока цилиндров. Однако требования к современным генераторным приводам, в частности, типа расширителя диапазона, например, для электромобилей или электросамолетов, специфичны. Требованиями являются, например, простота, небольшое количество цилиндров, малый вес, подходящие установочные размеры и минимизация вибрации. Идея использования двигателя с двумя коленчатыми валами или соединения двух двигателей пока встречается редко. Примером является решение согласно DE 102014115042A и DE 202018105331U. В этих документах есть и двигатели с двумя коленчатыми валами. Однако двигатель не идеально уравновешен по силам инерции, так как цилиндры расположены параллельно друг другу и силы инерции кривошипно-шатунных механизмов не могут быть идеально уравновешены.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Указанные выше недостатки в значительной степени устранены поршневым двигателем внутреннего сгорания с генератором, состоящим из двух цилиндров с головками цилиндров и поршней с шатунами и двух коленчатых валов или их кратных, которые соединены шестернями с передаточным числом 1:−1, то есть с обратным направлением вращения, согласно этому решению.
Принцип заключается в том, что первый коленчатый вал с шестерней устанавливается параллельно второму коленчатому валу со второй шестерней в одном корпусе двигателя, так что шестерни входят в зацепление 1:-1, и первый коленчатый вал соединен с первым ротором генератора и второй коленчатый вал соединен со вторым ротором генератора или маховиком, при этом момент инерции первого коленчатого вала в сборе с первой шестерней и первым ротором генератора соответствует моменту инерции второго коленчатого вала в сборе со второй шестерней и вторым ротором генератора или маховик. Цилиндры с поршнями расположены перпендикулярно плоскости симметрии между коленчатыми валами, при этом оси пары цилиндров лежат в этой плоскости, а оба поршня одновременно находятся в верхней мертвой точке.
Балансировка отдельных кривошипно-шатунных механизмов осуществляется таким образом, что неуравновешенные вращающиеся массы кривошипно-шатунного механизма на 100 % уравновешиваются балансировочными грузами, и поэтому центробежные силы Fo уравновешивают друг друга.
Возвратно-поступательные массы кривошипно-шатунных механизмов остаются полностью неуравновешенными. Силы инерции Fs от возвратно-поступательных масс компенсируют друг друга за счет симметрично противоположного движения одинаковых возвратно-поступательных масс обоих кривошипно-шатунных механизмов в одной плоскости.
Двигатель может быть выполнен с двухтактным или четырехтактным циклом. У четырехтактного двигателя рабочий цикл противоположных цилиндров может быть смещен на один оборот.
Двигатель может содержать множество пар оппозитных цилиндров с симметричным расположением поршней и шатунов относительно плоскости симметрии между двумя коленчатыми валами, при этом рабочие циклы пар оппозитных цилиндров сдвинуты по фазе.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания с генератором идеально соответствует требованиям современного расширителя запаса хода для электромобилей и самолетов. Это простое и недорогое решение всего с двумя цилиндрами, которое идеально сбалансировано с точки зрения сил инерции и моментов.
Вращающиеся массы на кривошипно-шатунных механизмах сбалансированы на 100%, а силы инерции от возвратно-поступательных масс компенсируют друг друга из-за симметрично противоположного движения одних и тех же возвратно-поступательных масс двух кривошипно-шатунных механизмов.
В связи с тем, что поршни с шатунами движутся в одной плоскости, момент от действующих сил инерции отсутствует. При замене шатунов с двумя точками масс необходимо учитывать дополнительный момент инерции шатуна. В этом случае эти шатунные моменты также исключают друг друга при симметричном движении шатунов в одной плоскости.
Поскольку моменты инерции одинаковы для обоих валов, вращающихся в противоположных направлениях, и поскольку эти валы идеально синхронизированы шестернями, то также полностью исключаются все моменты, вызванные неравномерностью движения поршневого двигателя. Поэтому на опоры двигателя не передаются никакие силы и моменты, и весь комплект полностью нейтрален. Двигатель не испытывает вибраций в опорах ни при пуске, ни при остановке, ни при работе на малых оборотах.
Таким образом, в самолете с электрическим приводом вибрация не передается на конструкцию планера даже при запуске или остановке двигателя, и, таким образом, никакие чувствительные операции не могут быть затронуты. Например, видеосъемка и фотосъемка. Расположение двигателя выгодно для установки, поскольку оно очень низкое и поэтому может быть расположено, например, под полом транспортного средства. Кроме того, в самолетах плоская конструкция выгодна для наиболее распространенных типов установок двигателей внутреннего сгорания. При одновременном зажигании в обоих цилиндрах усилия, передаваемые на кривошипно-шатунные механизмы, и их ускорения для обоих равны, поэтому шестерни, соединяющие коленчатые валы, будут нагружены минимально. Наиболее выгодная схема — использовать два одинаковых генератора на обоих коленчатых валах, и тогда шестерни будут иметь только синхронизирующее действие. Такая компоновка также выгодна тем, что два генератора имеют меньший диаметр и не увеличивают высоту установки двигателя.
В качестве альтернативы, если используются два генератора, также может быть решена возможность электрического отключения одного генератора в случае его отказа. Если используется только один генератор и только маховик на другом валу, то шестерни также будут передавать полезную мощность от вала маховика. Даже в этом случае нагрузка на зубчатую передачу будет очень благоприятной. Преимущество также в том, что двигатель может быть запущен в производство относительно быстро и легко с использованием компонентов современных одноцилиндровых двигателей.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания по настоящему изобретению будет описан более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи.
РИС. 1 изображен в разрезе поршневой двигатель внутреннего сгорания с двумя цилиндрами с головками цилиндров и поршнями с шатунами и двумя коленчатыми валами, соединенными шестернями с передаточным числом 1:−1, т. е. с противоположным направлением вращения.
Первый коленчатый вал с шестерней установлен параллельно второму коленчатому валу со второй шестерней в одном картере двигателя так, что шестерни 1:-1 включены. Первый коленчатый вал соединен с первым ротором генератора, а второй коленчатый вал соединен со вторым ротором генератора. Цилиндры с поршнями расположены перпендикулярно плоскости симметрии между коленчатыми валами, а оси пары цилиндров лежат в этой плоскости. Оба поршня одновременно находятся в верхней мертвой точке. Двигатель имеет двухтактный цикл.
РИС. 2 представляет собой вид в разрезе поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором, аналогичным показанному на фиг. 1, но с четырехтактным циклом.
РИС. 3 — аксонометрический вид с частичным разрезом поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором, аналогичным показанному на фиг. 1. Отличие в том, что у двигателя только один ротор генератора на одном коленвале, а на другом коленвале маховик. Из-за большего диаметра ротора генератора и маховика, чем расстояние между коленчатыми валами, ротор генератора смещен в осевом направлении относительно ротора маховика.
РИС. 4 представляет собой аксонометрический вид с частичным разрезом поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором, аналогичным показанному на фиг. 1. Разница в том, что один ротор генератора расположен на переднем конце первого коленчатого вала, а другой ротор генератора расположен на заднем конце второго коленчатого вала. Роторы имеют большие наружные диаметры, но при таком расположении они не мешают друг другу.
РИС. 5 — аксонометрический вид с частичным разрезом поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором, с двухтактным циклом и двумя парами оппозитных цилиндров. Передняя пара оппозитных цилиндров имеет рабочий цикл, сдвинутый на 180° относительно задней пары оппозитных цилиндров. Коленчатые валы оснащены такими же генераторами на переднем конце.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Модель поршневого двигателя внутреннего сгорания по фиг. 1 consists of the two cylinders 9 and 10 with the cylinder heads 13 and 14 and the pistons 11 and 12 with the connecting rods 7 and 8 and two crankshafts 1 и 2 , которые соединены шестернями 3 и 4 с передаточным числом 1:−1, то есть с противоположным направлением вращения.
Первый коленвал 1 с шестерней 3 устанавливается параллельно второму коленчатому валу 2 со второй шестерней 4 в один картер двигателя 17 таким образом, чтобы шестерни находились в зацеплении. Первый коленчатый вал 1 соединен с ротором 5 первого генератора, а второй коленчатый вал 2 соединен с ротором 6 второго генератора. Момент инерции первого коленчатого вала в сборе 1 с первой шестерней 3 и ротору первого генератора 5 соответствует момент инерции второго коленчатого вала в сборе 2 со второй шестерней 4 и ротора второго генератора 6 . Цилиндры 9 и 10 с поршнями 11 и 12 располагают перпендикулярно плоскости симметрии 20 между коленчатыми валами, при этом оси пары цилиндров лежат в плоскости и обоих поршней 11 и 12 расположены в ВМТ одновременно.
Двигатель имеет двухтактный цикл.
Модель поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором по фиг. 2 основан на варианте осуществления по фиг. 1. Однако двигатель имеет четырехтактный цикл. Поршни 11 и 12 находятся в ВМТ одновременно и воспламенение происходит в обоих цилиндрах одновременно.
Модель поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором по фиг. 3 основан на варианте осуществления по фиг. 1. Ротор первого генератора большего размера 5 устанавливается на первый коленчатый вал 1 , а маховик 18 устанавливается на второй коленчатый вал 2 . Во избежание столкновения они смещены в осевом направлении.
Модель поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором по фиг. 4 основан на варианте осуществления по фиг. 1. Ротор первого генератора 5 установлен на передней части первого коленчатого вала 1 , а ротор второго генератора 6 установлен на задней части второго коленчатого вала 9.
0049 2 . Роторы генератора 5 и 6 имеют большие наружные диаметры, но при таком расположении они не мешают друг другу.
Модель поршневого двигателя внутреннего сгорания генератора по фиг. 5 основан на варианте осуществления по фиг. 1. Двигатель отличается наличием двух пар оппозитных цилиндров 9 и 10 . Передняя пара оппозитных цилиндров имеет рабочий цикл, сдвинутый на 180° относительно задней пары оппозитных цилиндров.
Для поршневого двигателя внутреннего сгорания с генератором работа следующая. В корпусе двигателя 17 первый коленчатый вал 1 с первой шестерней 3 и первый ротор генератора 5 вращаются в противоположную сторону, чем второй коленчатый вал 2 со второй шестерней 4 и ротор второго генератора 6 с той же частотой вращения за счет шестерен 3 и 4 с передаточным числом 1:1.
Первый поршень 11 и второй поршень 12 перемещаются симметрично относительно плоскости симметрии 20 двигателя, так что они всегда одновременно находятся в верхней мертвой точке. Таким образом, ускорение возвратно-поступательных масс первого поршня 11 идентично, но в противоположном направлении ускорению возвратно-поступательных масс второго поршня 12 , и при тех же массах силы инерции Fs полностью устраняя друг друга. При замене шатуна с двумя точками масс дополнительный момент инерции первого шатуна 7 и второй шатун 8 также необходимо учитывать. Если шатуны одинаковые, то и эти моменты будут одинаковыми, но противоположными и, таким образом, полностью исключаются. Поскольку оси первого цилиндра 9 и второго цилиндра 10 находятся в одной плоскости, момент от сил инерции не создается. Балансировка вращающихся масс на первом коленчатом валу 1 , а также на втором коленчатом валу 2 производится таким образом, что неуравновешенные вращающиеся массы на 100 % уравновешиваются противовесами 9Таким образом, 0049 15 и 16 и центробежные силы FO также компенсируют друг друга.
Зажигание в первом цилиндре 9 и зажигание во втором цилиндре 10 передают крутящий момент на роторы генератора 5 и 6 . Так как коленчатые валы 1 и 2 синхронизированы шестернями 3 и 4 , их угловые ускорения совершенно одинаковы, но противоположны. С момента инерции первого коленчатого вала в сборе 1 с первой шестерней 3 и первым ротором генератора 5 равен моменту инерции второго коленчатого вала в сборе 2 со второй шестерней 4 и вторым ротором генератора 6 , моменты реакции имеют одинаковую величину, но противоположный смысл, поэтому результирующая реакция на блокировку двигателя полностью исключается. Таким образом, поршневой двигатель внутреннего сгорания не передает во время работы никаких сил и моментов, кроме своего веса, на свои опоры.
В двухтактном двигателе одновременное зажигание происходит в первом цилиндре 9 и второй цилиндр 10 . При этом при равенстве сопротивлений роторов генераторов 5 и 6 нагрузка между первой шестерней 3 и второй шестерней 4 минимальна. Функция шестерен 3 и 4 будет заключаться только в синхронизации. Только небольшие различия будут компенсированы за счет разного хода сгорания в первом цилиндре 9 и во втором цилиндре .10 .
В четырехтактном двигателе возможно общее зажигание в первом цилиндре 9 и втором цилиндре 10 или попеременное зажигание при смещении рабочих циклов на 360°. В случае переменного зажигания работа генераторов 5 и 6 более плавная, но загрузка шестерен 3 и 4 значительна, т.
к. активный коленчатый вал 1 должен разгонять второй холостой коленвал 2 и наоборот.
В варианте исполнения двигателя, в котором ротор первого генератора 5 расположен на первом коленчатом валу 1 и на втором коленчатом валу 2 имеется маховик 18 , шестерни 3
и 49049 будет передавать мощность от второго коленчатого вала 2 на коленчатый вал 1 . Однако при общем зажигании в цилиндрах 9 и 10 нагрузка на шестерни 3 и 4 относительно благоприятны. Преимуществом может быть использование только одного генератора. Если двигатель имеет несколько пар оппозитных цилиндров 9 и 10 , его работа аналогична двухцилиндровой версии. Рабочие циклы разных пар цилиндров 9 и 10 могут быть сдвинуты по фазе, тогда работа роторов генераторов 5 и 6 будет более плавной, а выходная мощность выше.