Изобретение относится к медицинской диагностической технике и может быть использовано для исследования кожного покрова при выявлении патологий и профилактике кожных заболеваний. Дерматоскоп состоит из осветительной системы с источником поляризованного света в режиме кросс-поляризации и видимом спектральном диапазоне и регистрирующей системы, находящейся на одной оптической оси с осветительной системой и включающей в себя объектив, ПЗС-матрицу, плату управления и компьютер. Дополнительно содержит сменные осветительные системы с использованием неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне и неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне. Компьютер выполнен с возможностью анализа полученных изображений в указанных спектральных диапазонах, документирования и хранения результатов анализа. Изобретение расширяет арсенал технических средств для проведения исследования кожного покрова. 1 ил.

Рисунки к патенту РФ 2459572

Изобретение относится к медицинской диагностической технике и может быть использовано для исследования кожного покрова при выявлении патологий и профилактике кожных заболеваний.

Известны дерматоскопы, состоящие из увеличивающей оптической системы, включающей в себя одну или несколько линз, и осветительной системы, включающей в себя один или несколько галогеновых источников света видимого спектрального диапазона, причем осветительная система обеспечивает равномерное освещение исследуемого участка кожного покрова, наблюдаемого глазом оператора через увеличивающую оптическую систему [1].

Однако такие устройства не позволяют документировать и хранить изображения исследуемого участка кожного покрова, а также проводить анализ изображения на компьютере.

Известны дерматоскопы, состоящие из осветительной системы, включающей поляризатор и источник света видимого спектрального диапазона, и регистрирующей системы, находящейся на одной оптической оси с осветительной системой и включающей в себя поляризатор, развернутый на 90° вокруг оптической оси относительно поляризатора осветительной системы (кросс-поляризация), объектив, ПЗС-матрицу, плату управления, компьютер для наблюдения и анализа изображений кожного покрова, документирования и хранения результатов анализа [2].

Недостатком такого устройства является невозможность проведения исследования при неполяризованном видимом и при неполяризованном ультрафиолетовом освещении, позволяющем выявить заболевания кожного покрова, не обнаруживаемые при поляризованном освещении и освещении в видимом спектральном диапазоне [1], а также невозможность проведения сравнительного компьютерного анализа изображений при освещении в поляризованном видимом, неполяризованном видимом и неполяризованном ультрафиолетовом спектральных диапазонах, документирования и хранения результатов такого анализа.

Цель настоящего изобретения — создание дерматоскопа, позволяющего проводить исследования кожного покрова при освещении в поляризованном видимом, неполяризованном видимом и неполяризованном ультрафиолетовом спектральных диапазонах, а также проводить сравнительный компьютерный анализ изображений в указанных спектральных диапазонах, документировать и хранить результаты такого анализа на компьютере.

Для этого в известном дерматоскопе, состоящем из осветительной системы, включающей поляризатор, источник света видимого спектрального диапазона, и регистрирующей системы, находящейся на одной оптической оси с осветительной системой и включающей в себя поляризатор, развернутый на 90° вокруг оптической оси относительно поляризатора осветительной системы, объектив, ПЗС-матрицу, плату управления, компьютер для наблюдения и анализа изображений кожного покрова, документирования и хранения результатов анализа, предлагается выполнить осветительную систему в виде сменной насадки и дополнительно ввести сменную насадку с источником неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне и сменную насадку с источником неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, а также программный модуль для проведения компьютерного анализа изображений в указанных спектральных диапазонах, документирования и хранения результатов такого анализа на компьютере.

На чертеже представлена схема предлагаемого дерматоскопа.

Устройство содержит три сменные насадки осветительной системы: с источником поляризованного света в режиме кросс-поляризации и видимом спектральном диапазоне 1а, с источником неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне 1б и с источником неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне 1в и регистрирующую систему 2, включающую в себя объектив 3, ПЗС-матрицу 4, плату управления 5, компьютер 6.

Дерматоскоп имеет механизм позиционирования и фиксации сменных насадок на корпусе дерматоскопа (на чертеже не показан в силу общеизвестности), механизм идентификации и управления насадками через плату управления и компьютер для обработки, документирования и хранения результатов анализа.

Устройство работает следующим образом.

Используя насадку с источником поляризованного света в режиме кросс-поляризации и видимом спектральном диапазоне прислоняют дерматоскоп торцом осветительной системы к исследуемому кожному покрову, наблюдают изображение на экране монитора компьютера, выбирают нужный участок кожного покрова, фиксируют и сохраняют изображение на компьютере. Затем повторяют всю процедуру, поочередно используя сменную насадку с источником неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне и сменную насадку с источником неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне. Полученные изображения обрабатывают на компьютере, сохраняют или распечатывают на бумаге при помощи принтера.

Суть компьютерной обработки заключается в вычислении градиентов яркости цветов на изображениях, выделении замкнутых областей и анализе каждого изображения в отдельности по известным медицинским критериям и признакам, а также в сравнительном анализе изображений, полученных с использованием разных осветительных систем, в т.ч. методом вычитания одного изображения из другого по цветовому и яркостному признаку.

Таким образом, предлагаемый дерматоскоп позволяет проводить исследования кожного покрова с использованием поляризованного света в видимом спектральном диапазоне, неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне и неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, а также проводить сравнительный компьютерный анализ полученных изображений по отдельности и в сравнении, документировать и хранить результаты анализа на компьютере.

1. Елисеев А.Г., Шилов В.Н., Гитун Т.В. Большая медицинская энциклопедия. — Эксмо-Пресс, 2009. — 860 с.

2. Wang SQ, Dusza SW, Scope A et al. Differences in dermoscopic images from nonpolarized dermoscope and polarized dermoscope influence the diagnostic accuracy and confidence level: a pilot study. Dermatol Surg 2008; 34(10): 1389-95. — прототип.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Дерматоскоп, состоящий из трех сменных и управляемых осветительных систем: с использованием поляризованного света в режиме кросс-поляризации и видимом спектральном диапазоне, неполяризованного света в видимом спектральном диапазоне и неполяризованного света в ультрафиолетовом спектральном диапазоне, и регистрирующей системы, находящейся на одной оптической оси с осветительной системой и включающей в себя объектив, ПЗС-матрицу, плату управления, а также компьютер для анализа полученных изображений, документирования и хранения результатов анализа.

колесный движитель перекатывающегося типа

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, конкретнее к колесным движителям, предназначенным для транспортных средств с повышенной грузоподъемностью. Колесный движитель содержит обод с наружными упругими опорными элементами, приводной электродвигатель, опорно-приводное устройство, входное звено для приема вращающего момента от приводного электродвигателя, механизм реализации вращающего момента. Обод выполнен с внутренней и наружной поверхностями гладкой цилиндрической формы. Обод снаружи снабжен шарнирно установленными с двухрядным размещением опорными башмаками. Электродвигатель установлен внутри корпуса опорно-приводного устройства. Корпус опорно-приводного устройства служит входным звеном движителя. На внутренней поверхности обода закреплены два контактных кольца. Кольца выполнены с наружными дорожками под реборды и внутренними расточками. Внутри колец имеются установленные по их периметру с равномерным шагом оси. Оси входят в зацепление со звездочками. Звездочки и реборды охватывают корпус и закреплены на его наружной поверхности. Технический результат заключается в повышении тягово-сцепных свойств и общего КПД транспортного средства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2467890

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, конкретнее к колесным движителям, предназначенным, преимущественно, для наземных транспортных средств, в частности, с повышенной грузоподъемностью, предназначенных для эксплуатации в различных дорожных условиях, в т.ч. и по бездорожью.

Из уровня техники известен движитель, основанный на задаваемом тактовом смещении центра вращения ротора подвижными в радиальном направлении инерционными массами (RU 2149117, 2000 г.). Конструктивно такой движитель усложнен из-за использования специального громоздкого устройства для смещения центра вращения, что является причиной низкого КПД и высокой металлоемкости движителя, а использование противодействующих пружин снижает его эксплуатационные качества и может приводить к отказам в работе. К тому же смещение центра вращения требует значительных кинематических параметров его вращения, которые бы обеспечивали необходимые опорно-временные и тягово-сцепные свойства колесного движителя для транспортного средства повышенной грузоподъемности, что для данной конструкции труднодостижимо.

Известен колесный движитель с «кантующимся центром» вращения (RU 2268165, 2006 г.), содержащий обод с правильной формой окружности и центром его вращения, планетарный редуктор, ведущим звеном которого является сателлит, установленный на ведущем «плавающем» валу, воспринимающем вес транспортного средства.

Недостатком этого колеса с «кантующимся» центром вращения является конструктивное решение с использованием планетарного редуктора, что усложняет и удорожает такой движитель, а также приводит к снижению его КПД и опорно-временных характеристик и тягово-сцепных свойств. К тому же применение планетарного редуктора предполагает обязательную его смазку и, как следствие, применение уплотнительных устройств, что увеличивает трудоемкость и стоимость не только изготовления данного движителя, но и его обслуживания.

Недостатки предыдущих аналогов устранены в известном из описания к патенту RU 2038218, 1995 г. колесном движителе перекатывающегося типа, содержащем обод, опорно-приводное устройство (ОПУ), мотор-редуктор, вал-шестерни, опорные ролики, боковые крышки и стойку, соединяющую движитель с корпусом транспортного средства (ТС). В нем обод, выполнен из секционных опорных элементов, расположенных по окружности и образующих сплошную беговую дорожку, при этом опорные элементы связаны с опорно-приводным устройством шарнирно-рычажными механизмами.

Отдаленное расположение мотор-редуктора (в корпусе транспортного средства), требующее применения трансмиссии и опор и усложняющее конструкцию и схему подведения силового потока (крутящего момента), а также консольное расположение вал-шестерни, которое приводит к необходимости увеличивать ее диаметр и, следовательно, размеры и материалоемкость движителя, являются недостатками этого аналога.

Наиболее близким аналогом (прототипом) изобретения определен колесный движитель перекатывающегося типа (RU 2245259, 2005 г.), содержащий обод с наружными упругими опорными элементами, предназначенными для формирования опорной поверхности перемещения, приводной электродвигатель, опорно-приводное устройство, связанное с этим электродвигателем и ободом и имеющее цилиндрический корпус с жестко соединенными между собой боковыми крышками и реборды, а также входное звено для приема вращающего момента от приводного электродвигателя и механизм, предназначенный для его реализации путем смещения мгновенного центра давления, выполненный в виде контактных колец и взаимодействующих с ними ответных зубчатых звездочек на входном звене. В нем контактные кольца механизма реализации вращающегося момента установлены внутри корпуса ОПУ и имеют внутренний зубчатый венец, в зацепление с которым входит зубчатая звездочка, установленная на вал-шестерне, являющемся входным звеном для приема крутящего момента от электродвигателя.

К недостаткам прототипа следует отнести сниженные опорно-временные свойства и тягово-сцепные показатели движителя при формировании опорной поверхности перемещения и сниженный КПД движителя и ТС в целом, в силу следующих причин:

— расположение мотор-редуктора в корпусе транспортного средства, предопределяет применение трансмиссии, что усложняет конструкцию опор и предопределяет упругую схему подведения силового потока (крутящего момента), не позволяющую реализовать возможности движителя на улучшение общего КПД;

— консольное расположение вал-шестерни приводит к необходимости увеличения ее диаметра и, следовательно, металлоемкости, массы и стоимости колеса;

— обод движителя сформирован из двух типов упругих элементов, установленных на корпусе ОПУ, что, во-первых, приводит к усложнению конструкции и снижает ее технологичность, а, во-вторых, снижает эксплуатационные качества движителя, т.к. будет вызывать при взаимодействии упругих элементов сухое трение (метал по металлу), способствующее износу обода движителя и уменьшению его долговечности, а также забиванию грунтом внутренней полости между поддерживающими и упругими элементами, что может привести к увеличению общей массы и моментов инерции колеса, которые потребуют дополнительных затрат мощности силовой установки на формирование опорной поверхности.

Задача, решаемая изобретением, и технический результат, получаемый от его использования, состоят в расширении арсенала технических средств в области движителей транспортных средств путем создания колесных движителей перекатывающегося типа, реализующих схему подведения силового потока к ободу с улучшенными тягово-сцепными и опорно-временными свойствами и повышением общего КПД транспортного средства.

Поставленная задача решается тем, что в колесном движителе перекатывающегося типа, содержащем обод с наружными опорными элементами, предназначенными для формирования опорной поверхности перемещения, приводной электродвигатель, опорно-приводное устройство, связанное с этим электродвигателем и ободом и имеющее цилиндрический корпус с жестко соединенными между собой боковыми крышками и реборды, а также входное звено для приема вращающего момента от приводного электродвигателя и механизм, предназначенный для его реализации путем смещения мгновенного центра давления, выполненный в виде контактных колец и взаимодействующих с ними ответных зубчатых звездочек на входном звене, согласно изобретению обод выполнен с внутренней и наружной поверхностями гладкой цилиндрической формы и снаружи снабжен шарнирно установленными с двухрядным размещением опорными башмаками, электродвигатель установлен внутри корпуса опорно-приводного устройства, с которым его выходной вал напрямую жестко связан, и при этом корпус опорно-приводного устройства служит упомянутым входным звеном движителя и выполнен с возможностью угловых перемещений относительно обода посредством механизма реализации вращающего момента, контактные кольца которого закреплены на внутренней поверхности обода и взаимодействуют с помощью осей, равномерно расположенных по их периметру, с зубчатыми звездочками, а предусмотренными на них соответствующими дорожками — с ребордами, причем и звездочки, и реборды охватывают корпус и закреплены на его наружной поверхности.

Дополнительный развивающий существенный признак состоит в том, что опорные башмаки выполнены резиноармированными с упругой стальной вставкой и объемной формы, при которой внешняя поверхность — «подошва» — башмака имеет синусоидальную форму, а поверхность, обращенная к ободу, цилиндрическую форму.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемый движитель (в отличие от известных аналогов) представляет собой трехмассовую конструкцию (ротор двигателя — корпус ОПУ — обод с опорными башмаками) с независимым компоновочным расположением ОПУ и обода и двухступенчатой квазиупругой системы и в нем под действием вращающего момента, создаваемого электромагнитным полем установленного в корпусе «плавающего» опорно-приводного устройства приводного электродвигателя (первая квазиупругая ступень), реборды, установленные на корпусе этого устройства, перекатываясь по внутренней поверхности контактных колец на ободе, обеспечивается смещение мгновенного центра давления движителя по направлению его движения относительно полюса, где мгновенная скорость равна нулю, и подведение силового потока к ободу колеса, благодаря чему осуществляется трансформация вращающего момента электродвигателя в момент силы (вторая квазиупругая ступень), формирующий работой опорных башмаков поверхность движения транспортного средства с использованием внешнего силового (гравитационного) поля — в результате осуществляется плоское движение колеса с требуемыми (например, типом поверхности движения) опорно-временными свойства и тягово-сцепными показателями, позволяющими повысить общий КПД движения при одновременном снижении тангенциальной составляющей напряжений деформации почвенного покрова в процессе формирования опорной поверхности перемещения.

Расположением приводного электродвигателя, на выходном валу которого вращающий момент создается взаимодействием электромагнитных полей статора и ротора, внутри ОПУ, выполненного «плавающим», т.е. с возможностью потактового углового смещения относительно внутренней поверхности обода движителя, обеспечивается двухступенчатая квазиупругая система подведения силового потока к ободу, изменяющая принцип работы движителя с упругой схемы подведения силового потока от крутящего момента, как в прототипе, на квазиупругую, формирующую момент силы за счет смещения мгновенного центра давления относительно диаметральной плоскости обода по ходу движения, что позволяет в значительной мере снизить непроизводительные потери мощности, сократив промежуточные связи, а значит увеличить общий КПД транспорта, расширить диапазон получаемых опорно-временные и тягово-сцепные транспортирующие свойства движителя.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где:

на фиг.1 представлен фронтальный вид предлагаемого колесного движителя перекатывающегося типа; на фиг.2 — разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 — разрез Б-Б на фиг.2.

Предложенный колесный движитель перекатывающегося типа содержит обод 1, выполненный с внутренней 2 и наружной 3 поверхностями гладкой цилиндрической формы. Опорно-приводное устройство (ОПУ) 4, имеющее цилиндрический корпус 5 с размещенными на его наружной поверхности ребордами 6, установлено внутри обода 1 с возможностью потактового углового смещения относительно него, т.е. выполнено «плавающим» на неподвижной оси, что важно с позиции повышения точности смещения. Приводной электродвигатель 7 установлен внутри корпуса 5 ОПУ в подшипниках 8 и торцевым фланцем 9 соединен, например, через стойку подвески 10 с корпусом транспортного средства (не показан), а его выходной вал 11 жестко связан с корпусом 5.

На внутренней поверхности 2 обода 1 закреплены два контактных кольца 12, выполненных с наружными дорожками 13 под реборды 6 и внутренними расточками 14, в которые входят зубчатые звездочки 15, охватывающие корпус 5. Внутри колец 12 имеются установленные по их периметру с равномерным шагом оси 16, входящие в зацепление с звездочками 15, обеспечивая тем самым требуемое угловое смещение ОПУ относительно внутренней поверхности обода 1, следовательно, смещение мгновенного центра давления по траектории гипоциклоиды, например астроиды, относительно полюса, в котором мгновенная скорость равна нулю.

Обод 1 имеет также резиноармированные башмаки 17, шарнирно установленные на осях 18 с образованием на его наружной поверхности 3 двух опорных рядов со смещением одного относительно другого, причем в каждом ряду башмаки 17 размещены с технологическим зазором между собой, обеспечивающим их взаимное угловое перемещение. Конструктивное выполнение этих башмаков вариантно, в зависимости от конкретных технических параметров движителя и они могут иметь различную целесообразную форму. С точки зрения эффективности движения наиболее приемлема форма башмака, представленная на фиг.3, при которой внешняя поверхность — «подошва» — резиноармированного башмака имеет синусоидальную форму для улучшения упругих свойств колеса и повышения плавности хода ТС, а поверхность, обращенная к ободу 1, имеет цилиндрическую форму, улучшающую самоочищаемость движителя при его работе на слабых почвах, например на заболоченной местности. При этом башмак 17 выполнен с упругой стальной вставкой 19, армированной резиной 20, и с проушиной 21 для присоединения к оси 18.

Для обеспечения устойчивого зацепления реборд и звездочек путем создания между ними и ободом не освобождающей (жесткой) связи служат стянутые между собой шпильками 22 боковые крышки 23, которые к тому же обеспечивают в конструкции движителя дополнительную поперечную жесткость и служат для предотвращения попадания в зону контакта взаимодействующих между собой упомянутых выше элементов обода и ОПУ со стороны торцов движителя пыли, грязи и/или посторонних предметов, ухудшающих работу «плавающего» опорно-приводного устройства в частности и движителя в целом.

На электродвигатель 7 встроенный в корпус 5 ОПУ 4 от силовой установки ТС (не показана), например дизель-генератора, подается напряжение, создающее взаимодействие электромагнитных полей (первая квазиупругая ступень), которые образуют вращающий момент М_вр на его выходном валу 11, жестко связанном с корпусом 5 ОПУ, имеющего возможность углового перемещения относительно обода 1 посредством реборд 6 и взаимодействия с внутренней поверхностью 2 обода 1 за счет контактных колец 12 с осями 16, входящими в зацепление со звездочками 15.

Вращающий момент ротора электродвигателя 7 перекатывает реборды 6, охватывающие корпус 5, «плавающего» на неподвижной оси ОПУ, по дорожкам 13 контактных колец 12 на ободе 1. Этим обеспечивается смещение центра тяжести транспортного средства в направлении движения колеса с накапливанием полной механической энергии с одновременным формированием момента силы, вызывающего плоское поступательное движение за счет внешнего силового (гравитационного) поля (вторая квазиупругая ступень).

Реборды 6, перекатываясь по дорожкам 13 колец 12, смещают мгновенный центр давления (вертикальную силу от веса ТС) по траектории гипоциклоиды, например по астроиде, относительно точки, где мгновенная скорость равна нулю, на величину s и создают момент силы относительно этой точки, равный .

Момент силы вызывает перекатывание обода 1, во время которого башмаки 17 (фиг.1, 3) формируют опорную поверхность (дно колеи) с реакцией связи , создаваемой за счет внешнего силового (гравитационного) поля — вторая квазиупругая ступень — и сил трения плоское поступательное движение транспортного средства с автоматическим регулированием опорно-временных свойств и тягово-сцепных качеств движителя перекатывающегося типа в зависимости от характера поверхности движения.

ОПУ 4 совместно с подвеской ТС выполняет функцию поддержания корпуса транспортного средства, передачи вертикальной нагрузки через реборды 6, расположенные на внешней поверхности корпуса 5 ОПУ, а также функцию передачи вращающего момента электродвигателя 7 и трансформации его в момент силы на ободе 1, который с помощью башмаков 17 специальной формы (фиг.3) осуществляет формирование опорной поверхности.

Таким образом, использование предлагаемого колесного движителя перекатывающегося типа позволяет за счет двухступенчатой квазиупругой системы подведения силового потока оптимизировать опорно-временные свойства, повысить тягово-сцепные показатели и общий коэффициент полезного действия транспортного средства при движении по разным поверхностям движения и при этом максимально минимизировать отрицательное воздействие транспорта на поверхность движения.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Колесный движитель перекатывающегося типа, содержащий обод с наружными упругими опорными элементами, предназначенными для формирования опорной поверхности перемещения, приводной электродвигатель, связанное с этим электродвигателем и ободом опорно-приводное устройство, имеющее цилиндрический корпус с жестко соединенными между собой боковыми крышками и реборды, а также входное звено для приема вращающего момента от приводного электродвигателя и механизм, предназначенный для его реализации путем смещения мгновенного центра давления, выполненный в виде контактных колец и взаимодействующих с ними ответных зубчатых звездочек на входном звене, отличающийся тем, что в нем обод выполнен с внутренней и наружной поверхностями гладкой цилиндрической формы и снаружи снабжен шарнирно установленными с двухрядным размещением опорными башмаками, электродвигатель установлен внутри корпуса опорно-приводного устройства, с которым его выходной вал напрямую жестко связан, и при этом корпус опорно-приводного устройства служит упомянутым входным звеном движителя и выполнен с возможностью угловых перемещений относительно обода, посредством механизма реализации вращающего момента, контактные кольца которого закреплены на внутренней поверхности обода и взаимодействуют с помощью осей, равномерно расположенных по их периметру, с зубчатыми звездочками, а предусмотренными на них соответствующими дорожками — с ребордами, причем и звездочки, и реборды охватывают корпус и закреплены на его наружной поверхности.

2. Движитель по п.1, отличающийся тем, что в нем опорные башмаки выполнены резиноармированными с упругой стальной вставкой и объемной формы, при которой внешняя поверхность — «подошва» башмака имеет синусоидальную форму, а поверхность, обращенная к ободу, — цилиндрическую форму.

Сергеев в Патент

1. Главная
2. Реестр патентов

Последние новости

(21), (22) Заявка: 2007149349/06, 29.12.2007

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
29.12.2007

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: RU 2278985 С2, 27.06.2006. RU 1460372 A1, 23.02.1989. PR 2174562 A1, 12.10.1973. US 3830205 A, 20.08.1974. DE 3327948 A1, 20.02.1985.

Адрес для переписки:
445011, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Жилина, 2, кв.19, Ю.В. Казакову

(72) Автор(ы):
Сергеев Александр Николаевич (RU)

(73) Патентообладатель(и):
Сергеев Александр Николаевич (RU)

(54) ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму, нагнетатель топливовоздушной смеси, выполненный в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабженный устройством для подачи топлива и каналами подачи топлива и воздуха, а также каналами подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, при этом между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан, а форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса, диаметр основания форкамеры равен диаметру камеры сгорания, двигатель снабжен одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, оси которых направлены попарно навстречу друг другу, причем угол между осями этих каналов и осью камеры сгорания выбран в интервале между точкой пересечения осей этих каналов на центральном электроде свечи зажигания и точкой пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего поршня при его положении в верхней мертвой точке. Изобретение обеспечивает повышение стабильности и КПД работы двигателя, снижение расхода топлива и токсичности отработанных газов. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей с системой впрыска топливовоздушной смеси в рабочий цилиндр.

Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2230202 от 8.01.2003 г., МКИ7 F02B 19/10. Он содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, нагнетатель топливовоздушной смеси и головку цилиндра, в которой размещена сферическая или коническая камера сгорания и цилиндрическая форкамера. Камера сгорания и форкамера соединены с нагнетателем топливовоздушной смеси одним или несколькими каналами. Проекции участков осей каналов, входящих в камеру сгорания и в форкамеру, на плоскость сечения рабочего цилиндра расположены под углами соответственно 90. 20 и 90. 140° по отношению к оси рабочего цилиндра. Входы каналов расположены тангенциально к поверхностям камер. Каналы камеры сгорания направлены навстречу каналам форкамеры. Это позволяет повысить мощность двигателя и снизить токсичность отработанных газов за счет применения бедной топливовоздушной смеси.

Однако при работе известного двигателя топливовоздушная смесь, проходя по каналам от нагнетателя до форкамеры и камеры сгорания, может охлаждаться, что приведет к образованию в составе топливовоздушной смеси жидкой капельной фазы, обедняя смесь топливом сверх допустимого предела. Кроме того, часть топливовоздушной смеси, скользя по стенкам камеры сгорания под действием вертикальной составляющей центробежных сил, может преждевременно выбрасываться в надпоршневое пространство, обедняя остающуюся в камере смесь. В результате нарушится стабильность работы двигателя, снизится его мощность и повысится расход топлива.

Известен также двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2278985 от 24.09.2004 г., МКИ7 F02B 19/10, 33/22, который принят за прототип. Двигатель по прототипу имеет рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания и камеру сгорания, которые соединены с нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра с поршнем. Каналы подачи топлива и воздуха расположены вверху компрессорного цилиндра выше верхней мертвой точки его поршня и снабжены обратными клапанами. Каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания и в форкамеру выполнены в виде трубки, разделенной вдоль ее оси перегородкой, или в виде двух трубок, установленных параллельно друг другу, расположены в полости с охлаждающей жидкостью и снабжены нагревателем. В зоне расположения этих каналов установлен датчик температуры, соединенный с блоком питания нагревателя. Канал подачи топливовоздушной смеси в форкамеру снабжен регулировочным механизмом с приводом, связанным с датчиком числа оборотов коленчатого вала двигателя или с устройством для подачи топлива. Камера сгорания имеет цилиндрическую форму. Проекции осей участков каналов подачи топливовоздушной смеси, входящих в камеру сгорания и в форкамеру, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра перпендикулярны его оси. Такая конструкция обеспечивает повышение стабильности работы двигателя и увеличение его мощности, а также уменьшение расхода топлива вследствие гомогенизации топливовоздушной смеси.

Однако эксперименты по отработке двигателя по прототипу показали, что струя топливовоздушной смеси при входе в форкамеру и в камеру сгорания прижимается к стенкам камер и, завихряясь, образует в средней части этих камер застойную зону, не участвующую в процессе смесеобразования, что приводит к неоднородности смеси по ее качеству. В пристеночных областях камеры сгорания образуется богатая смесь, а в центре камеры сгорания смесь будет бедной. Кроме того, при сжатии топливовоздушной смеси в компрессорном цилиндре давление может превышать величину давления, на которое рассчитано устройство для подачи топлива (например, форсунка). Это может привести к прекращению подачи топлива, что вызовет потерю мощности и нестабильность работы двигателя. Применение форсунок и насосов высокого давления существенно увеличит стоимость двигателя. Впрыск топлива по прототипу производится после начала движения компрессорного поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, при этом газификация топлива происходит во время движения поршня на 180° вниз и на 180° вверх. Времени этого движения может оказаться недостаточно для полной газификации топлива, что также нарушит стабильность работы двигателя, повысит непроизводительный расход топлива и увеличит загрязнение окружающей среды.

Технический результат предлагаемого двигателя — повышение стабильности работы двигателя и его коэффициента полезного действия (КПД), уменьшение расхода топлива и снижение токсичности отработанных газов путем повышения однородности топливовоздушной смеси.

Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую форму и каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания, нагнетатель топливовоздушной смеси, выполненный в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабженный устройством для подачи топлива. В отличие от прототипа между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан. Форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса. Диаметр основания форкамеры равен диаметру камеры сгорания. Двигатель снабжен одной или несколькими парами каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания. Оси этих каналов направлены попарно навстречу друг другу. Угол между осями этих каналов и осью камеры сгорания выбран в интервале между точкой пересечения осей этих каналов на центральном электроде свечи зажигания и точкой пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего цилиндра при его положении в верхней мертвой точке.

По второму варианту устройство для подачи топлива установлено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха. По третьему варианту компрессорный цилиндр снабжен двумя устройствами для подачи топлива, одно из которых расположено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха, а другое — в его верхней части выше верхней мертвой точки компрессорного поршня.

Между каналами подачи топлива и компрессорным цилиндром установлены обратные клапаны. Канал подачи топлива тангенциально соединен с каналом подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха. В канале подачи воздуха установлена дроссельная заслонка. Между дроссельной заслонкой и устройством для подачи топлива установлен датчик массового расхода воздуха, соединенный с контроллером, который соединен с устройством для подачи топлива.

Предлагаемая конструкция двигателя и способ управления им обеспечивают достижение технического результата, поскольку устраняют недостатки прототипа. Это обеспечивается тем, что изменение формы форкамеры, направление каналов ввода топливовоздушной смеси в камеру сгорания навстречу друг другу и предлагаемое ограничение угла между осями этих каналов и осью камеры сгорания обеспечит более равномерное распределение топливовоздушной смеси в объеме форкамеры и камеры сгорания. Наличие обратного клапана между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром предупредит выброс топливовоздушной смеси через форсунку и исключит необходимость применения дорогостоящего оборудования высокого давления. Тангенциальное соединение канала подачи топлива с каналом подачи воздуха в направлении по ходу движения воздуха обеспечит более полное перемешивание топлива с воздухом, что сделает топливовоздушную смесь более однородной. Расположение устройства для подачи топлива в нижней части компрессорного цилиндра обеспечит возможность подачи топлива в начале движения компрессорного поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Это на 50% увеличит время газификации топлива. Газификация в этом случае будет происходить в течение времени поворота коленчатого вала двигателя на 540°. Это повысит качество подготовки топливовоздушной смеси, что приведет к более полному сгоранию топлива в камере сгорания, уменьшит токсичность отработанных газов и увеличит мощность двигателя. Наличие в предлагаемом двигателе двух устройств для подачи топлива, одно из которых расположено в нижней части компрессорного цилиндра и соединено с каналом подачи воздуха, а второе расположено в верхней части компрессорного цилиндра выше верхней мертвой точки компрессорного поршня, позволит в два раза уменьшить продолжительность впрыска топлива, что соответственно увеличит продолжительность процесса газификации топлива и также улучшит качество подготовки топливовоздушной смеси.

Наличие в канале подачи воздуха в компрессорный цилиндр дроссельной заслонки и связанного с ней датчика массового расхода воздуха, который соединен с контроллером, управляющим устройством для подачи топлива, позволит поддерживать постоянство заданного соотношения топлива и воздуха в топливовоздушной смеси в объеме компрессорного цилиндра, что обеспечит стабильность работы двигателя на всех режимах. Начало подачи топлива в канал подачи воздуха в момент начала перемещения компрессорного поршня от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке на 50% увеличивает время, в течение которого происходит газификация топлива, что также способствует образованию более однородной топливовоздушной смеси. В результате повышается стабильность работы двигателя и уменьшается расход топлива.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана общая конструктивная схема предлагаемого двигателя, на фиг.2 — сечение Б-Б на фиг.1 в случае, когда оси каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания наклонены в сторону точки пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего цилиндра, на фиг.3 — сечение Б-Б на фиг.1 в случае, когда оси каналов подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания наклонены в сторону центрального электрода свечи зажигания, на фиг.4 — сечение А-А на фиг.1, на фиг.5 — сечение В-В на фиг.1.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр 1 с поршнем 2, соединенным со штоком 3. В рабочем цилиндре 1 предусмотрены окна 37 и 38 для забора воздуха и для отвода выхлопных газов. В головке 4 рабочего цилиндра 1 размещены камера сгорания 5 и форкамера 6 со свечей зажигания 7. Камера сгорания 5 имеет форму цилиндра, а форкамера 6 выполнена в форме полусферы, как это показано на фиг.1, или в форме усеченного конуса. Диаметр основания форкамеры 6 равен диаметру камеры сгорания 5. Двигатель снабжен нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра 13, состоящего из корпуса 17 и крышки 33. Полость 8 компрессорного цилиндра 13 соединена с камерой сгорания через клапан отсечки 21 с пружиной 20, удерживаемой пластиной 18, канал подачи топливовоздушной смеси 36, выполненный в виде трубки 26, снабженной нагревателем 25, обратный клапан 28, установленный в корпусе 24, кольцевой канал 22 и через каналы 10, соединяющие камеру сгорания 5 с кольцевым каналом 22. Нагреватель 25 соединен проводами 29 с источником электрического тока 30, к которому подключен датчик температуры, установленный в крышке двигателя 31. Угол между осями каналов 10 и осью камеры сгорания 5 выбран в интервале между точкой пересечения осей каналов 10 на центральном электроде свечи зажигания 7 ( ₁ на фиг.2) и точкой пересечения оси камеры сгорания 5 с днищем рабочего цилиндра 2 при его положении в верхней мертвой точке ( ₂ на фиг.3). Двигатель содержит одну или несколько пар каналов 10 подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания 5. Оси каналов 10 направлены попарно навстречу друг другу (фиг.4).

Двигатель снабжен устройством 12 для подачи топлива, которое установлено в крышке 33 компрессорного цилиндра 13 в его верхней части и соединено с каналом подачи топлива 14 (фиг.1). Между этим каналом и полостью 8 компрессорного цилиндра 13 установлен обратный клапан 42. При расположении в нижней части компрессорного цилиндра 13 устройство 27 подачи топлива установлено в канале 35 подачи топлива, который тангенциально соединен с каналом 11 подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха (фиг.5). Каналы 15 подачи топливовоздушной смеси в полость 8 компрессорного цилиндра 13 снабжены обратными клапанами 34.

В канале 11 подачи воздуха установлена дроссельная заслонка 39. Между ней и устройством 27 подачи топлива установлен датчик 40 массового расхода воздуха, соединенный с контроллером 41, который соединен с устройствами подачи топлива 12 и 27.

Предлагаемый двигатель работает следующим образом.

После начала движения от верхней мертвой точки (ВМТ) компрессорного поршня 19, шток 32 которого кинематически связан через коленчатый вал со штоком 3 рабочего поршня 2, в полость 8 компрессорного цилиндра 13 через устройство 12 и канал 14 подают топливо. При движении компрессорного поршня 19 вниз над ним создается разряжение, клапаны 34 (фиг.5) под действием разности давлений откроются и в полость 8 компрессорного цилиндра 13 через каналы 11 и 15 поступит чистый воздух из атмосферы. Внутри полости 8 образуется топливовоздушная смесь, которая в результате движения компрессорного поршня 19 к нижней мертвой точке (НМТ) интенсивно перемешивается. После достижения НМТ компрессорный поршень 19 начнет движение вверх к ВМТ, начнется сжатие топливовоздушной смеси. При этом давление в полости 8 может превысить значение давления, на которое рассчитано устройство 12 для подачи топлива. В этом случае в двигателе по прототипу произойдет выброс топливовоздушной смеси через устройство 12 для подачи топлива, что повысит расход топлива и понизит КПД двигателя. Применение в качестве устройства 12 форсунок высокого давления резко повысит стоимость двигателя. Поэтому в предлагаемой конструкции двигателя предусмотрен обратный клапан 42, установленный между каналом 14 подачи топлива и полостью 8 компрессорного цилиндра 13.

По другому варианту предусмотрено расположение устройства для подачи топлива 27 в нижней части компрессорного цилиндра 13. При этом устройство 27 расположено в канале 35 подачи топлива, который тангенциально соединен с каналом 11 подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха в канале 11 (фиг.1 и 5). Через устройство 27 и канал 35 впрыск топлива в канал 11 начинают в момент начала движения компрессорного поршня 19 вверх от НМТ к ВМТ и продолжают до окончания этого движения. При этом происходит частичная газификация топлива, образуется топливовоздушная смесь. При последующем движении компрессорного поршня 19 от ВМТ к НМТ топливовоздушная смесь из канала 11 через каналы 15 всасывается в полость 8 компрессорного цилиндра 13 в течение времени поворота коленчатого вала двигателя, с которым кинематически соединен шток 32, на 180°. При начале последующего движения компрессорного поршня 19 от НМТ к ВМТ клапаны 34 вновь закроются. В это время вновь осуществляют впрыск топлива в канал 11 подачи воздуха. Топливовоздушная смесь в объеме полости 8 компрессорного цилиндра 13 при ходе компрессорного поршня 19 от НМТ к ВМТ, сжимаясь, нагревается, обеспечивая дальнейшую газификацию топлива. Таким образом, в двигателе по прототипу и в предлагаемом двигателе при расположении устройства 12 для подачи топлива в верхней части компрессорного цилиндра 13 топливовоздушная смесь газифицируется в течение времени поворота коленчатого вала двигателя на 360°, тогда как при предлагаемом варианте расположения устройства 27 для подачи топлива в нижней части компрессорного цилиндра 13, в канале 35 подачи топлива, тангенциально соединенном с каналом 11 подачи воздуха, газификация топлива будет происходить в течение времени поворота коленчатого вала двигателя на 540°. Это обеспечит получение более гомогенной топливовоздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания 5 и форкамеру 6, и, следовательно, более полное сгорание топлива, что уменьшит его расход, повысит мощность и КПД двигателя, снизит токсичность отработанных газов.

Еще один вариант предлагаемой конструкции двигателя предусматривает наличие одновременно двух устройств для подачи топлива 12 и 27. Устройство 12 расположено в верхней части компрессорного цилиндра 13 в канале 14 подачи топлива, снабженном обратным клапаном 42, а устройство 27 расположено в нижней части компрессорного цилиндра 13 в канале 35 подачи топлива, который тангенциально соединен с каналом 11 подачи воздуха и направлен по ходу движения воздуха. При этом варианте возможна одновременная работа устройств 12 и 27 подачи топлива, что в два раза сократит время, необходимое для впрыска заданного количества топлива, в результате увеличится время газификации топлива, что улучшит качество подготовки топливовоздушной смеси и приведет к дополнительному снижению расхода топлива, повышению мощности и КПД двигателя и уменьшению токсичности выхлопных газов. Особенно существенным будет эффект от одновременной работы двух устройств 12 и 27 подачи топлива в случаях, когда двигатель должен работать с большой нагрузкой, требующей повышенной мощности и увеличения объема расходуемого топлива (при работе двигателя на богатой смеси). При низкой температуре воздуха, когда испарение топлива затруднено, включают только одно устройство 12, которое подает топливо через канал 14 и обратный клапан 42 непосредственно в полость 8 компрессорного цилиндра 13. Это обеспечивает достаточное количество топливовоздушной смеси в объеме компрессорного цилиндра 13 и в камере сгорания 5, что позволяет осуществить запуск холодного двигателя. После прогрева двигателя до заданной температуры, при которой топливо в канале 11 подачи воздуха может газифицироваться, включают устройство 27 подачи топлива и двигатель продолжает работать в наиболее эффективном режиме.

При достижении в полости 8 компрессорного цилиндра 13 давления, на которое тарирована пружина 20, клапан отсечки 21 поднимется вверх и откроет вход в канал 36. Через лепестковый обратный клапан 23 топливовоздушная смесь впрыснется в кольцевой канал 22, из которого через попарно расположенные навстречу друг другу каналы 10 (фиг.1 и 4) попадет в камеру сгорания 5 и форкамеру 6. Попарное встречное расположение каналов 10 обеспечивает направление потоков топливовоздушной смеси навстречу друг другу. Вблизи оси камеры сгорания 5 встречные потоки топливовоздушной смеси, соударяясь, равномерно распылятся в объемах камеры сгорания 5 и форкамеры 6, что позволит избежать образования застойных зон в этих объемах и расслоений топливовоздушной смеси, как это может происходить в двигателе по прототипу. Отсутствие застойных зон приведет к более полному сгоранию топлива, что повысит мощность двигателя, его КПД и стабильность работы, снизит токсичность выхлопных газов.

Этот же технический результат обеспечит предлагаемое ограничение угла между осями каналов 10 ввода топливовоздушной смеси и осью камеры сгорания 5. Если угол будет больше угла ₂ (фиг.2) между осью канала 10, проходящей через точку пересечения оси камеры сгорания 5 с днищем рабочего поршня 2 при его положении в верхней мертвой точке, и осью камеры сгорания 5, или меньше угла ₁ (фиг.3), образованного осью канала 10 при прохождении этой оси через точку пересечения оси камеры сгорания 5 с поверхностью центрального электрода свечи зажигания 7 и осью камеры сгорания 5, то потоки топливовоздушной смеси, выходящие из каналов 10, не встретятся, а ударятся о поверхность поршня 2 либо о поверхность форкамеры 6. В этих случаях произойдет завихрение этих потоков, что может привести к расслоению заряда топливовоздушной смеси и к пропускам зажигания топливовоздушной смеси. В результате сгорание топливовоздушной смеси будет неполным, увеличится непроизводительный расход топлива и токсичность выхлопных газов, снизится мощность двигателя и его КПД.

Выполнение форкамеры 6 в форме полусферы или конуса с основанием, диаметр которого равен диаметру цилиндрической камеры сгорания 5, обеспечивает плавные очертания внутренней поверхности форкамеры 6 и камеры сгорания 5, что практически исключает возможность образования застойных зон в объемах форкамеры 6 и камеры сгорания 5. Это также предупреждает расслоение топливовоздушной смеси и, способствуя более полному сгоранию топлива, повышает мощность двигателя, его КПД и стабильность работы, снижает токсичность выхлопных газов.

В предлагаемом двигателе в канале 11 подачи воздуха установлена дроссельная заслонка 39, а между ней и устройством 27 подачи топлива в канале 11 установлен датчик 40 массового расхода воздуха, связанный с контроллером 41, который соединен с устройствами 12 и 27 подачи топлива. С помощью этих элементов обеспечивается стабильная работа двигателя на всех режимах. При необходимости изменения мощности двигателя дроссельную заслонку 39 открывают или закрывают, изменяя подачу воздуха через каналы 11 и 15 и обратные клапаны 34 в полость 8 компрессорного цилиндра 13. С помощью датчика 40 определяют изменение расхода воздуха и передают сигнал об этом изменении с датчика 40 на контроллер 41, определяющий необходимое количество топлива, которое нужно подать в канал 11 или 14, чтобы обеспечить постоянство состава топливовоздушной смеси при изменившемся расходе воздуха. Контроллер 41 подает команду на устройства 12 и 27 об изменении количества подаваемого топлива. Таким образом постоянно поддерживают заданное соотношение топлива и воздуха в топливовоздушной смеси, что обеспечивает стабильную работу двигателя на всех режимах.

Предлагаемый двигатель может быть изготовлен с помощью известных и применяемых в технике средств: литья, токарной, фрезерной и других видов механической обработки, а также укомплектован известными устройствами, применяющимися в двигателестроении. Например, в качестве устройств 12 и 27 для подачи топлива могут быть применены форсунки, в качестве датчика 40 массового расхода воздуха — известные расходомеры. Подтверждением возможности изготовления предлагаемого двигателя может служить опытный образец, изготовленный заявителем для испытаний.

Опытный образец предлагаемого двигателя был испытан в сравнении с двигателем по прототипу. При испытаниях двигатель работал в двухтактном режиме на бензине АИ 95 производства Башнефть при степени сжатия =14. В двигателе по прототипу форкамера и камера сгорания имели цилиндрическую форму и объемы соответственно 5 и 36 мл. Предлагаемый двигатель имел цилиндрическую камеру сгорания 5 объемом 34 мл и форкамеру 6 в форме полусферы объемом 10 мл.

Испытания проводили на прогретых двигателях при частоте вращения коленчатого вала n=1000 об/мин. В процессе испытаний определяли газоанализатором «Инфракар М» состав выхлопных газов. Результаты испытаний показали (см. таблицу), что в выхлопных газах предлагаемого двигателя по сравнению с прототипом содержание СО уменьшилось в 2,3 раза, СН — в 4,13 раза, O₂ — в 1,04 раза, а содержание CO₂ увеличилось в 1,04 раза. Коэффициент избытка воздуха в топливовоздушной смеси составил в предлагаемом двигателе 2,9 против 2,3 в двигателе по прототипу.