Результат интеллектуальной деятельности: Двигатель внутреннего сгорания

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно, к двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания (RU №2327894. F02M 29/04, 2008.06.27), который содержит емкость с топливом, которое с помощью насоса подается в цилиндр, в полости которого сжигают топливо. Внутри цилиндра расположен поршень, в пространство над поршнем периодически подается воздух, необходимый для сгорания топлива, с помощью диспергатора, расположенного в трубопроводе между насосом и цилиндром. Воздух в диспергатор подается с помощью устройства для подачи воздуха. В диспергаторе топливо и воздух перемешиваются посредством кавитации, и полученная смесь поступает в цилиндр, где сжигается, перемещая поршень и выполняя работу. При работе двигателя происходит более качественное сжигание топлива из-за большей поверхности соприкосновения воздуха с топливом, повышается мощность двигателя.

Известен четырехтактный комбинированный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом и охлаждением воздуха (Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. С. 9-11), конструкция которого состоит из блока цилиндров, в которых расположены поршни, снабженные шатунами с кривошипами. Поршень, шатун и кривошип образуют шатунно-кривошипный механизм. Кривошипы связаны с коленчатым валом. Шатунно-кривошипный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. В объем, заключенный между верхней поверхностью поршня и стенками цилиндра, периодически подается топливо через форсунку. Периодичность подачи топлива зависит от числа тактов и частоты вращения коленчатого вала. Начало и количество подачи топлива регулируется топливовпрыскивающей аппаратурой. В пространство над поршнем периодически подается воздух, необходимый для сгорания топлива. Продукты сгорания удаляются из цилиндра в выпускной коллектор через выпускной клапан. Периодичность подачи воздуха и удаления продуктов сгорания регулируется работой впускного и выпускного клапанов, которые кинематически связаны с коленчатым валом посредством газораспределительного механизма. Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала через систему зубчатых передач. На распределительном валу размещен кулачок, который сообщает возвратно-поступательное движение толкателю. Через штангу и рычаг движение от толкателя передается выпускному клапану. Привод впускного клапана от распределительного вала аналогичен приводу выпускного. Профиль кулачков на распределительном валу, управляющих работой клапаном, и положение кулачков относительно кривошипа коленчатого вала определяют продолжительность и моменты их открытия и закрытия.

Продукты сгорания, удаляемые через выпускной клапан, поступают в газовую турбину. Здесь часть тепловой энергии газа преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины. На одном валу с турбинным колесом размещено компрессорное колесо. Компрессор служит для забора воздуха из атмосферы, сжатия его и подачи к полости впускного клапана двигателя. Перед поступлением в двигатель производится охлаждение воздуха в охладителе.

Данный двигатель характеризуется только одной функцией - преобразование энергии топлива в энергию механического движения, что составляет его недостаток.

Известен двигатель внутреннего сгорания (RU 2381371, F02M 29/04, 10.02.10), выбранный в качестве прототипа и содержащий блок цилиндров, в которых расположены поршни, снабженные шатунами с кривошипами, связанными с помощью шарниров с коленчатым валом, в верхней крышке каждого цилиндра жестко установлена топливная форсунка, соединенная с помощью трубопровода с топливовпрыскивающей аппаратурой, и установлены впускные и выпускные клапаны, на колпачки которых опираются одними своими плечами рычаги, а другими своими плечами рычаги опираются на концы штанг, которые своими противоположными концами упираются в кулачки распределительного вала, который через систему зубчатых передач связан с коленчатым валом, а выпускные клапаны через выпускной коллектор соединены с газовой турбиной, на одном валу с которой установлено колесо компрессора, соединенного через охладитель трубопроводом с полостями впускных клапанов, на выпускном коллекторе жестко установлены коммутационные пластины, к которым прикреплены высокотемпературные концы термоэлектрических элементов, а их низкотемпературные концы снабжены радиаторами и соединены с нагрузкой.

Основной недостаток прототипа - узкий функциональный диапазон, т.к. он предназначен для преобразования тепловой энергии в механическую энергию и для генерирования постоянного тока.

Задача изобретения - расширение функционального диапазона двигателя внутреннего сгорания за счет того, что помимо преобразования тепловой энергии в механическую энергию и генерирования постоянного тока, заявляемое устройство генерирует переменный ток.

Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, в которых расположены поршни, снабженные шатунами с кривошипами, связанными с помощью шарниров с коленчатым валом, в верхней крышке каждого цилиндра жестко установлена топливная форсунка, соединенная с помощью трубопровода с топливовпрыскивающей аппаратурой, и установлены впускные и выпускные клапаны, на колпачки которых опираются одними своими плечами рычаги, а другими своими плечами рычаги опираются на концы штанг, которые своими противоположными концами упираются в кулачки распределительного вала, который через систему зубчатых передач связан с коленчатым валом, а выпускные клапаны через выпускной коллектор соединены с газовой турбиной, на одном валу с которой установлено колесо компрессора, соединенного через охладитель трубопроводом с полостями впускных клапанов, на выпускном коллекторе жестко установлены коммутационные пластины, к которым прикреплены высокотемпературные концы термоэлектрических элементов, а их низкотемпературные концы снабжены радиаторами, в нижней части блока цилиндров параллельно коленчатому валу расположен ферромагнитный статор, в пазах которого уложена обмотка переменного тока, а на торцах коленчатого вала расположены обмотки возбуждения, выводы которых соединены с низкотемпературными концами термоэлектрических элементов.

Схема предлагаемого устройства показана на фиг. 1. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 приведен электромагнитный узел двигателя при различных углах поворота коленчатого вала. Внутри цилиндров 1 (фиг. 1) расположены поршни 2, снабженные шатунами 3 с кривошипами 4, связанными с помощью шарниров 5 с коленчатым валом 6. Поршни 2 могут осуществлять возвратно-поступательное движение. В верхней крышке каждого цилиндра 1 жестко установлена топливная форсунка 7, соединенная с помощью трубопровода 8 с топливовпрыскивающей аппаратурой (на чертеже не показана). Также в верхней крышке каждого цилиндра 1 установлены впускные 9 и выпускные 10 клапаны, на колпачки 11 которых опираются одними своими плечами рычаги 12. Другими своими плечами рычаги 12 опираются на концы штанг 13, которые своими противоположными концами упираются в кулачки 14 распределительного вала 15, который через систему зубчатых передач 16 связан с коленчатым валом 6. Выпускные клапаны 10 через выпускной коллектор 17 соединены с газовой турбиной 18, на одном валу с которой установлено колесо компрессора 19, соединенного через охладитель 20 трубопроводом 21 с полостями 22 впускных клапанов 9. На выпускном коллекторе 17 жестко установлены коммутационные пластины 23, к которым прикреплены высокотемпературные концы 24 термоэлектрических элементов 25, которые выполнены, например, из теллурида свинца, сурьмы и копеля. Низкотемпературные концы 26 снабжены радиаторами 27 и соединены электрическими проводами с выводами 28 (фиг. 2) обмоток возбуждения 29, которые расположены на торцах коленчатого вала 6.

В нижней части блока цилиндров 1 параллельно коленчатому валу 6, который имеет противовесы 30 (Шестопалов К.С. Устройство, техническое обслуживание и основы безопасности вождения легкового автомобиля. М.: ДОСААФ СССР, 1976. С. 22), расположен ферромагнитный статор 31, в пазах 32 которого уложена обмотка переменного тока 33.

Работа устройства происходит следующим образом. В пространство между верхней поверхностью поршня 2 (фиг. 1) и стенками цилиндра 1 периодически подаются топливо через форсунку 7 и воздух, необходимый для сгорания топлива. Периодичность подачи топлива зависит от числа тактов и частоты вращения коленчатого вала 6. Начало и количество подачи топлива регулируется топливовпрыскивающей аппаратурой. Периодичность подачи воздуха и удаления продуктов сгорания из цилиндра 1 регулируется работой подпружиненных впускного 9 и выпускного 10 клапанов, которые кинематически связаны с коленчатым валом 6 посредством газораспределительного механизма, состоящего из зубчатой передачи 16, распределительного вала 15 с кулачками 14, штанг 13, рычагов 12.

Продукты сгорания удаляются из цилиндра 1 через выпускной клапан 10. В результате энергия, выделившаяся при сгорании топлива, двигает поршень 2, который, в свою очередь, через шатун 3 и кривошип 4 приводит во вращение коленчатый вал 6. Распределительный вал 15 приводится во вращение от коленчатого вала 6 через систему зубчатых передач 16. На распределительном валу 15 размещены кулачки 14, которые сообщают возвратно-поступательное движение штангам 13. Через рычаги 12 движение штанг 13 передается выпускным клапанам 10. Привод впускных клапанов 9 от распределительного вала 15 аналогичен приводу выпускных клапанов 10. Профиль кулачков 14 на распределительном валу 15, управляющих работой клапанов 9 и 10, и положение кулачков 14 относительно кривошипа 4 коленчатого вала 6 определяют продолжительность и моменты их открытия и закрытия.

Продукты сгорания, удаляемые через выпускные клапаны 10, через выпускной коллектор 17 поступают в газовую турбину 18. Здесь часть тепловой энергии газа преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины 18. Так как на одном валу с колесом турбины 18 размещено колесо компрессора 19, последний начинает всасывать воздух из атмосферы, сжимать и подавать в полости впускных клапанов 9. Перед поступлением в двигатель производится охлаждение воздуха в охладителе 20.

Продукты сгорания, проходя через выпускной коллектор 17, нагревают его до температуры примерно 700-800 К. Данное тепло передается через коммутирующие пластины 23 на высокотемпературные концы 24 термоэлементов 25. В связи с тем, что низкотемпературные концы 26 снабжены радиаторами 27, высокотемпературные концы 24 и низкотемпературные концы 26 нагреваются до разных температур. Благодаря этой разнице, на зажимах термоэлемента 25 появляется термоЭДС. Низкотемпературные концы 26 (фиг. 2) соединены с выводами 28 обмоток возбуждения 29, в последние начинает поступать постоянный электрический ток, который создает магнитный поток возбуждения, проходящий через коленчатый вал 6. На фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, в данный поток показан эллипсовидными тонкими линиями. Т.к. коленчатый вал 6 выполнен из ферромагнитного материала, он характеризуется высокими значениями относительной магнитной проницаемости μ, порядка десятков тысяч. Предполагается, что ферромагнитный материал не находится в состоянии магнитного насыщения, а, следовательно характеризуется, согласно формуле

где здесь l - длина линии магнитного потока, μ₀ - магнитная постоянная, μ - относительная магнитная проницаемость, S - площадь поперечного сечения, через которое проходит магнитный поток возбуждения, низкими значениями магнитного сопротивления R_m,. В связи с этим большая часть магнитного потока возбуждения стремится пройти через ферромагнитные участки коленчатого вала 6. Магнитный поток возбуждения на фиг. 2 схематично показан эллипсовидными линиями, причем интенсивность магнитного потока возбуждения пропорциональна количеству эллипсовидных линий.

Благодаря стандартной конструкции коленчатого вала 6, имеющего противовесы 30, при его вращении постоянно изменяется расстояние от поверхности противовеса 30 до обмотки переменного тока 31, например, для левого противовеса 30

где d₁ - расстояние между боковой поверхностью крайнего левого противовеса 30 и поверхностью ферромагнитного статора 31 при угле поворота коленчатого вала 6, показанного на фиг. 2, d₂ - расстояние между боковой поверхностью крайнего левого противовеса 30 и поверхностью ферромагнитного статора 31 при угле поворота коленчатого вала 6, показанного на фиг. 3, d₃ - расстояние между боковой поверхностью крайнего левого противовеса 30 и поверхностью ферромагнитного статора 31 при угле поворота коленчатого вала 6, показанного на фиг. 4, поэтому магнитное сопротивление также изменяется по периодическому закону. Из-за сказанного величина магнитного потока возбуждения, проходящего через противовес 30 и доходящего до обмотки переменного тока 31, изменяется по периодическому закону. Изменяется величина ЭДС, индуцированная магнитным потоком возбуждения в обмотке переменного тока 31. Переменный ток, обусловленный данной ЭДС, поступает в нагрузку (не показана).

Как можно заметить, в заявляемом двигателе внутреннего сгорания энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется не только в энергию механического движения коленчатого вала и энергию постоянного тока, но также в электрическую энергию переменного тока. Сказанное обуславливает расширение функционального диапазона по сравнению с прототипом.