СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может найти применение в народном хозяйстве, на транспорте, а в случае применения наддува от турбокомпрессора - в авиации.

Известны двигатели внутреннего сгорания, работающие на карбюрированной смеси.

Однако в этих двигателях реализуются невысокие значения степеней сжатия воздуха из-за возникновения детонационного горения бензина в сжатом воздухе в цилиндрах. По этой причине в таких двигателях невозможно улучшить экономичность до уровня экономичности дизелей.

Для обеспечения бездетонационного горения в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания к бензину, применяемому в качестве топлива, добавляют присадку в виде тетраэтилсвинца. Известно, что продукты сгорания бензина с присадкой тетраэтилсвинца загрязняют атмосферу. Кроме того, в таких двигателях не используется полностью располагаемая степень расширения газов, что не способствует улучшению экономичности такого двигателя.

По предлагаемому способу и устройству сжигание топлива в сжатом воздухе предусматривается осуществить при высоких значениях степени сжатия, использовании в качестве топлива бензина без добавки тетраэтилсвинца, высоких значениях коэффициента избытка воздуха α₁ и непрерывном сжигании топлива в камере сгорания, установленной вне камер рабочего тела машины сжатия воздуха и расширения газов.

Степень сжатия воздуха при этом может быть на уровне степеней сжатия известных дизелей.

Двигатель внутреннего сгорания, выполненный по предлагаемому способу и устройству, имеет надежный запуск независи- мо от погодных условий и по этой причине выгодно отличается от известных дизелей. Кроме того, по сравнению с дизелями предлагаемый двигатель внутреннего сгорания может быть выполнен с высокими значениями частоты вращения вала машины сжатия воздуха и расширения газов.

Это достигается сжиганием топлива в камере сгорания, установенной вне камер рабочего тела машины сжатия воздуха и расширения газов, с подводом сжатого воздуха в камеру сгорания порциями от камер рабочего тела, отводом продуктов от камеры сгорания в камеры рабочего тела также порциями при разобщении камеры сгорания от камер рабочего тела во время осуществления в камерах рабочего тела процессов наполнения воздуха, сжатия воздуха, процессов расширения газов и выхлопа газов, осуществлением после процессов наполнения воздуха сжатия воздуха в камерах рабочего тела и подвода сжатого воздуха из камер рабочего тела в камеру сгорания, процессов подвода продуктов в камеры рабочего тела от камеры сгорания, расширения газов в камерах рабочего тела и выхлопа газов из камер рабочего тела, осуществлением дополнительного расширения газов, выходящих из камер рабочего тела, в дополнительной машине расширения газов, выполнением машины сжатия воздуха и расширения газов в виде роторной машины, камеры рабочего тела которой образованы между гильзой ротора, установленной на подшипниках качения на цилиндре ротора и расположенной эксцентрично относительно оси его вращения, корпусом и возвратно-поступательно движущимися перегородками, установленными на неподвижных цилиндрических направляющих, закрепленных на корпусе, выполнением дополнительной машины расширения газов в виде поршневой машины, имеющей обод распределения газов, в котором выполнены кольцевой заборник газов от выхода камер рабочего тела с каналами и полостями подвода газов к цилиндрам дополнительной машины, кольцевой заборник атмосферного воздуха с каналами и полостями подвода этого воздуха для охлаждения цилиндра, поршней машины дополнительного расширения газов, при этом вал обода распределения газов соединен с валом одного из двух кулачковых дисков привода клапанов камер рабочего тела, каждые валы которых кинематически соединены с ротором машины сжатия воздуха и расширения газов через редуктор с передаточным отношением i = n_ротора/n_к.Д.= 2, где n_ротора - частота вращения ротора машины сжатия воздуха и расширения газов; n_к.д. - частота вращения вала кулачковых дисков, вал дополнительной машины соединен с валом ротора и валом отбора мощности.

На фиг. 1 показан продольный разрез предлагаемого двигателя; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3-6 - сечение Б-Б на фиг. 1 (через каждые 90^о поворота ротора с обозначениями процессов у камер рабочего тела); на фиг. 7 - разрез В-В на фиг. 1; на фиг. 8 - разрез Г-Г на фиг. 6; на фиг. 9 - сечение Д-Д на фиг. 1; на фиг. 10 - сечение Е-Е на фиг. 1; на фиг. 11 - в увеличенном масштабе элементы уплотнения между цилиндрами дополнительной машины расширения и ободом распределения газов; на фиг. 12 - вариант выполнен лабиринтного уплотнения между цилиндрами дополнительной машины расширения газов и ее ободом; на фиг. 13 - камера сгорания двигателя с сжиганием топлива в трех зонах.

По фиг. 1 машина 1 сжатия воздуха и расширения газов состоит из ротора 2, имеющего эксцентрично установленный относительно оси вращения цилиндр, на котором расположена гильза 3 с помощью подшипников качения 4. С обеих сторон ротора, на корпусе машины сжатия воздуха и расширения газов, размещены крышки 5 и 6. На этих крышках расположены соответственно цилиндры 7 и 8 клапанов 9 и 10 камер рабочего тела.

Клапаны 9 и 10 выполнены в виде поршней с уплотнительными элементами - поршневыми кольцами (не показаны) и имеют соответственно штоки 11 и 12. Клапан 9 служит для выхлопа расширенных газов из одной камеры рабочего тела, а клапан 10 - для отвода сжатого воздуха из одной камеры рабочего тела в камеру сгорания.

На концах штоков клапанов установлены ролики качения: для штока 11 - ролики 13, для штока 12 - ролики 14.

Штоки клапанов через соответствующие ролики опираются на кулачковые диски 15 и 16. Каждая пара роликов штоков клапанов располагается симметрично относительно оси штоков. При этом при расположении роликов одного штока клапана в центральной части каждая пара роликов других штоков клапанов размещается с внешних сторон роликов предыдущих штоков.

Клапаны 9 и 10 прижимаются к соответствующим кулачкам дисков 15 и 16 соответственно с помощью пружин 17 и 18.

Кулачковые диски 15 и 16 кинематически соединены с валом ротора соответственно редукторами 19 и 20.

Передаточное отношение n_p/n_к.д. выбирается равным 2, где n_р - частота вращения ротора; n_к.д. - частота вращения кулачковых дисков.

Двигатель внутреннего сгорания, выполненный по предлагаемому способу и устройству, имеет дополнительную машину расширения газов блоком 21 цилиндров 22 и 23.

В цилиндре 22 расположен шатун 24, а в цилиндре 23 - шатун 25. Шатун 24 кинематически соединен с поршнем 26, а шатун 25 - с поршнем 27. Оба шатуна 24 и 25 кинематически соединены с коленчатым валом 28, соединенным с валом ротора 2.

Дополнительная машина расширения газов имеет второй блок 29 цилиндров. Оси первого и второго блоков цилиндров расположены под углом 90^о.

На фиг. 1 показан один из воздухозаборников 30. Сжатый воздух выходит из камер рабочего тела через клапан 10 по каналу 31. Этот канал сообщен с входом камеры сгорания 32, в которой установлена форсунка 33 непрерывной подачи топлива.

Один из каналов выхода расширенного газа из камеры рабочего тела машины сжатия и расширения газов обозначен позицией 34. Этот канал сообщен с цилиндром 7 клапана 9 выхлопа газов.

На фиг. 1 показаны кольцевой заборник 35 подвода газов от камер рабочего тела машины сжатия воздуха и расширения газов к дополнительной машине расширения и кольцевой заборник 36 подвода охлаждающего атмосферного воздуха к цилиндрам дополнительной машины расширения газов. Оба заборника расположены на ободе 37 распределения рабочего тела.

Для балансировки ротора имеются противовесы 38. Вал отбора мощности обозначен позицией 39. Этот вал выполнен как продолжение вала ротора.

Позицией 40 обозначена одна из опор обода 37 распределения рабочего тела.

Между крышками 5 и 6, гильзой 3 ротора выполнены уплотнения 41.

На фиг. 2 показаны цилиндры 42 клапанов подвода воздуха. Эти цилиндры через соответствующие клапаны (не показаны) сообщаются с воздухозабрниками 30. Позицией 43 обозначен картер редуктора 19. Остальные обозначения соответствуют принятым обозначениям на фиг. 1.

На фиг. 3 показаны цилиндрические направляющие 44, закрепленные на корпусе 45. В эти направляющие устанавливаются перегородки 46. Между направляющими 44 и перегородками 46 выполнены полости 47 подвода жидкости для поддавливания перегородок к гильзе 3 с целью уплотнения. Корпус 45 с внутренней стороны имеет форму цилиндра, к которому прикреплены эластичные уплотняющие элементы 48, по которым обкатывается гильза 3 ротора 2. В качестве эластичных элементов может быть применена металлорезина.

На фиг. 3 позицией 49 обозначен клапан отвода сжатого воздуха из камеры рабочего тела в камере сгорания, а позицией 50 - клапан подвода продуктов из камеры сгорания 32 в камеры 51 и 52 рабочего тела.

Машина сжатия воздуха и расширения газов представлена двумя камерами рабочего тела. Эти камеры рабочего тела образованы перегородками 46, гильзой 3 ротора и внутренней цилиндрической поверхностью корпуса 45, на которой установлены эластичные элементы 48.

Для подвода жидкости в полости 47 на направляющих 44 выполнены штуцера 53.

На фиг. 3 для начального положения ротора у камер рабочего тела указаны соответствующие процессы в них. В. Г. Означает выхлоп газов, Н. В. - наполнение воздуха.

На фиг. 4 показзан поворот ротора на 180^о по отношению к первоначальному положению. Сж. В. означает сжатие воздуха.

На фиг. 5 показано положение после поворота ротора на 360^о по отношению к первоначальному положению. Р. Г. Означает расширение газов.

На фиг. 6 показано положение после поворота на 540^о по отношению к первоначальному положению. В. Г. означает выхлоп газов.

Фиг. 3 соответствует также повороту ротора на 720^о по отношению к первоначальному принятому положению ротора.

На фиг. 7 некоторые обозначения соответствуют обозначению фиг. 1, здесь показаны цилиндры 54 клапанов 50 (см. фиг. 3) подвода продуктов сгорания к камерам рабочего тела из камеры сгорания 32, - зубчатое колесо 55 редуктора 20 (см. фиг. 1), картер 56 редуктора 20.

На фиг. 8 показаны каналы 57 отвода жидкости, выполненные в перегородках 46 (см. фиг. 3), упоры 58 пружин 59, пружины 60 сжатия элементов уплотнений 41 (см. фиг. 1).

На фиг. 9 показана полость 61 подвода расширенных газов от машины сжатия воздуха и расширения газов. Эта полость через кольцевой заборник 35 постоянно сообщена с каналами 34 выхода газов из машины 1 сжатия расширения газов. Полость 61 выполнена на ободе 37 распределения рабочего тела. На этом же ободе выполнены полость 62 отвода из верхнего цилиндра расширенного в цилиндрах газа, полость 63 подвода охлаждающего атмосферного воздуха к верхнему цилиндру, полость 64 отвода охлаждающего воздуха из верхнего цилиндра.

На фиг. 10 указаны полости, соответствующие обозначениям фиг. 9 для нижнего цилиндра.

На фиг. 11 в увеличенном по отношению к фиг. 1 масштабе показан цилиндр с уплотнениями дополнительной машины расширения газов. Здесь показан вариант лабиринтного уплотнения цилиндров с ободом 37. Гребешки лабиринтных уплотнений обозначены позициями 65-67, позицией 68 - полость лабиринта.

На фиг. 12 показаны гребешки 69 лабиринтных уплотнений.

Для блока 29 цилиндров указанные полости и уплотнения выполняются аналогично.

На фиг. 13 дан вариант выполнения трехзонной камеры сгорания 32. При этом в камере сгорания установлены три жаровые трубы 70-72. Каждая жаровая труба имеет патрубки 73-75 подвода первичного воздуха, трубопроводы 76-78 подвода топлива к форсункам 33, 79 и 80. На выходе каждой жаровой трубы имеются соответствующие смесители 81-83. Подводы вторичного воздуха в жаровые трубы обозначены соответственно позициями 84-86. Кроме того, показаны спайки крепления 87, пламеперебрасыватели 88 и 89 от жаровой трубы по потоку к предыдущим жаровым трубам.

Канал отвода продуктов сгорания к камерам рабочего тела машины сжатия воздуха и расширения газов обозначен позицией 90. Этот канал через клапан 50 и цилиндры 54 сообщается с камерами рабочего тела.

В первой жаровой трубе устанавливается свеча зажигания (не показана).

На фиг. 1 изображены редукторы 19 и 20 согласно сечениям Ж-Ж и З-З фиг. 2 и 7. Поэтому в нижней части продольного разреза двигателя (фиг. 1) не показаны условно воздухозаборник 30 и канал 34 выхода газов из соответствующего цилиндра клапана выхлопа газов из камеры рабочего тела.

Для машины сжатия воздуха и расширения газов с двумя камерами рабочего тела устанавливают по четыре клапана на крышках 5 и 6. На крышке 5 - два клапана подвода воздуха, два клапана выхлопа газов, на крышке 6 - два клапана подвода сжатого воздуха к камере сгорания 32 и два клапана подвода продуктов сгорания к камерам рабочего тела.

Двигатель, выполненный по предлагаемому способу и устройству, работает следующим образом.

Двигатель запускается от раскрутки вала ротора, включения зажигания и подачи топлива в камеру сгорания 32. При этом воздух через воздухозаборник 30, цилиндры 42 клапанов подвода воздуха при соответствующих положениях ротора поступает в камеры рабочего тела. В камерах рабочего тела воздух сжимается при повороте ротора и после этого сжатый воздух через цилиндры 8 клапанов 10 и 50 отводится к камере сгорания 32 по каналу 31. В камере сгорания сжигается топливо в сжатом воздухе при непрерывной подаче его через форсунки при подводе воздуха в камеру сгорания сжатого воздуха из камер рабочего тела порциями и при отводе продуктов сгорания к камерам рабочего тела также порциями за процессами подвода сжатого воздуха в камеру сгорания. При этом при подводе сжатого воздуха к камере сгорания после открытия соответствующего клапана подвода сжатого воздуха рабочего тела вал ротора нагружается. При подводе продуктов сгорания к камерам рабочего тела после открытия соответствующего клапана подвода продуктов сгорания при наполнении камеры рабочего тела вал ротора разгружается. При сообщении камеры сгорания с камерой рабочего тела при подводе к ней продуктов сгорания в камере сгорания несколько падает давление.

После подвода новой порции сжатого воздуха в камеру сгорания от камеры рабочего тела давление восстанавливается до значения P*Z

= ( P*к·T*г)/T*к [1] , где P_к* - полное давление воздуха после сжатия в камерах рабочего тела; Т_г* - значение полной температуры продуктов сгорания; Т_к* - зачение полной температуры сжатого воздуха в камерах рабочего тела.

По величинам объемов камер рабочего тела после сжатия воздуха, объема при подводе продуктов сгорания ΔV, а также по величине объема камеры сгорания V_к.сг. можно установить зависимость давления P_z^l* в камере сгорания при сообщении с камерами рабочего тела.

Справедливо равенство
(V_к.сг. + ΔV) ˙P_z^l* = P_z* ˙ V_к.сг., [2]
P= (P_z^*·v_к.сг)/(v_к.сг+Δv) = P*Z

/[1+Δv/v_к.сг] . [3]
Если принять V_к.сг = 20 ΔV, то P= P*z/[1+1/20] = (1·P)/1,05 = 0,95·P*z. При этом потери давления от располагаемого значения составляют 5% . По значениям Т_г* и Р₂* определяется эффективное значение работы.

После расширения газов в камерах рабочего тела машины сжатия и расширения газов эти газы направляются к дополнительной машине расширения газов. В цилиндрах этой машины осуществляется дополнительное расширение газов, так как в машине сжатия воздуха и расширения газов (как и в любых двигателях внутреннего сгорания) полного расширения газов не происходит. Дополнительное расширение газов способствует снижению удельного расхода топлива.

Эффективная мощность снимается с вала ротора и эта мощность подводится к валу 39 отбора мощности.

При выполнении двигателя с камерой сгорания, имеющей несколько зон, осуществляется последовательное включение сжигания топлива, подводимого по форсункам 33, 79 и 80. Подвод топлива к этим форсункам может быть выполнен в зависимости от положения педали подачи топлива или сектора газа. При этом необходимое давление перед форсунками может быть обеспечено как изменением производительности топливного насоса, так и путем перепуска топлива на вход насоса в зависимости от положения педали подачи топлива или сектора газа. На малых нагрузках топливо подводится к форсунке 33 и сжигается в жаровой трубе 70, а при дальнейшем увеличении нагрузки топливо последовательно подводится к форсункам 79 и 80. Запуск жаровой трубы 71 осуществляется от подвода горячих газов от первой жаровой трубы 70 по пламеперебрасывателю 88, а запуск жаровой трубы 72 - от подвода горячих газов от второй жаровой трубы 71 по пламеперебрасывателю 89.

Для наглядности приводится пример теплового расчета двигателя внутреннего сгорания, выполненного по предлагаемому способу и устройству.

Степень расширения воздуха в камере рабочего тела равна П_к* = 14. Температуру продуктов в камере сгорания Т_г* = 1350 К.

Работа сжатия воздуха в камере рабочего тела
l_к* = 288˙102,5 (14^0,286-1)/0,85 = 39140 кгм/кг.

Температура воздуха в конце сжатия в камерах рабочего тела
Т_к* = 288 + 39140/102,5 = 670 К.

Полная степень расширения в камерах рабочего тела и дополнительной машине расширения газов следующая П*p

= П*к(T*г/T*к)·σ₁·σ₂·σ₃·σ₄·σ₅·σ₆ , [ 4 ] где σ₁- коэффициент потери давления при наполнении воздуха из атмосферы в камеры рабочего тела; σ₂- коэффициент потери давдения сжатого воздуха при выходе из камер рабочего тела и подводе в камеру сгорания; σ₃- коэффициент потери давления рабочего тела, связанный с подводом газов из камеры сгорания в камеры рабочего тела; σ₄- коэффициент потери давления газов при выхлопе из камер рабочего тела; σ₅- коэффициент потери давления рабочего тела, связанный с падением давления газов при сообщении с камерами рабочего тела; σ₆- коэффициент потери давления газов, связаный с подводом, выхлопом газов от дополнительной машины расширения газов. σ₁, σ₂ принимаются равными 0,95; σ₃ , σ₄ принимаются равными 0,95 [3] , [4] ; σ₅= 0,95; σ₆= 0,95 ˙ 0,95 ˙ 0,95.

Коэффициент σ₆= 0,95˙ 0,95˙ 0,95 = 0,85; σ₁˙σ₂˙σ₃˙σ₄˙σ₅˙σ₆= 0,95˙ 0,95x x 0,95 ˙ 0,95˙ 0,95 ˙ 0,85 = 0,73.

П_р* = 14 0,73 = 20,59.

Суммарная работа расширения газов
l_р* = 1350˙29,3⁴ [1-1/20; 59^0,25] ˙ 0,9 = 75471 кгм/кг.

Температура в конце расширения газов
Т_р* = 1350 - 75471/(29,3·4) = 706 К.

Свободная работа
l_св* = 75471 - 39140 = 36331 кгм.

Удельная мощность N_уд = = 484 л. с. /(кг воздуха).

Определяется количество топлива, сжигаемого в одном кг воздуха, по формуле
q = (C_pT*г

-C_pT*к)/(H₄η_г-iT*г+C_pT*к) [ 5 ] .

В предложенном двигателе топливо сжигается при постоянном объеме. Поэтому для предлагаемого двигателя потери тепла, обусловленные теплообменом между газами и стенками камер рабочего тела, определяются следующим образом
q = (C_pT*г

-C_pT*к)/[(H₄η_г-iT*г+C_pT*к)(C_p/C_v)] , [ 6 ] для продуктов сгорания отношение удельной теплоемкости С_р продуктов при постоянном давлении к удельной теплоемкости С_V продуктов при постоянном объеме C_p/C_v равно 1,33.

Для оценки потерь тепла от теплообмена между газами и стенками определяется расход топлива для дизеля Д-108, имеющего степень сжатия П_к* = 14, при применении условно в качестве топлива керосина. Работа сжатия воздуха этого дизеля при значении П_к* = 14 l_к* = 39140 кгм/кг.

Температура воздуха в конце сжатия Т_к* = 670 К.

Температура продуктов сгорания Т_г* = 2200 К.

Т_к* = 670 К, С_рТ_к* = 681,3, Т_г* = 2200 К; С_рТ_г* = 2502,62; iТ_г* = 6775,12 [6] .

Н₄η_г= 42600 (для керосина),
42600 - 6775 + 681 = 36506,
2502,62 - 681,3 = 1821,32,
q = 1821,32/(36506·1,33) = 0,0375 кг/(кг возд. ) .

Для определения работы расширения газов дизеля нужно определить степень расширения газов в цилиндрах. Для этого определяют удельную плотность воздуха после сжатия в цилиндрах
(10330·14·0,45)/(670·29,3) = 7 кг/м³ , удельную плотность воздуха до сжатия после наполнения цилиндров при коэффициенте потерь давления σ₁= 0,95
γ*в

_озд= (10330·0,95)/(288·29,3) = 1,16 кг/м³ отношение /γ*в_озд = 7/1,16 = 6,035.

Удельная плотность газов, полученная после сжигания топлива, γ_возд^*такая же, как и
931350/670) =
При расширении газов в цилиндрах дизеля давление в них должно быть выше, чем атмосферное давление, в раза, при σ₂= 0,95 давление в цилиндрах в конце расширения должно быть не менее
Р_г* = 1,033/0,95 = 1,087 кг/см².

Располагаемая степень расширения при этом
П*p

= П*к·σ₁·σ₂(T*г/T*к)= 14·0,95·0,95(2200/670= 41,5 .

Действительная степень расширения дизеля определяется методом последовательного приближения.

Определяют температуру расширения Т_г* газов в цилиндрах при степени расширения П_р* = 14.

Работа расширения без учета КПД
l_р* = 2200˙29,3˙4˙[1-1/14^0,25] = 124536 кгс.

Т_р* = 2200 - 124536/29,3·4 = 1137 К.

Удельная плотность газов в цилиндрах при этом
γ*p

= 0,95 = 0,967 кг/м³;
= 0,967, Р_р* = 0,967 ˙1137 x29,3 = 32214 кг/м³ = 3,2214 кг/см² ,
0,967 ˙6,035 = 5,83 < 7.

1) Рассматривается
П_р* = 11,5; l_р* = 2200˙23,3 ˙ 4 x[1-1/11,5^0,25] = 117755 кгм/кг,
Т_р* = 2200 - 117755/(29,3·4) = 1195 К,
γ*p

= [(10330·14·(288/670)·0,95] /(11,5·1195·29,3) = 1,12,
1,12 ˙6,035 = 6,76.

2) Рассматривается
П_р* = 11; l_р* = 2200˙29,3 ˙4 x
x [1-1/11⁰²⁵] = 116234 кгм/кг;
Т_р* = 2200 - 116234/29,3·4 = 1208 К;
γ*p

= [(10330·14 (288/670)·0,95] /(115·1208·29,3) = 1,158,
1,158 ˙6,035 = 6,99.

Степень расширения дизеля П_р* определяется равной 11.

Работа расширения дизеля
l_р* = 2200 ˙29,3 ˙4 x
x[1-1/11^0,25] ˙0,9 = 104610 кгм/кг.

Свободная работа дизеля
l_св* = 104610 - 39140 = 65471 кгм/кг.

Удельная мощность N_уд = 65471/75 = 872,9 л. с. /(кг вoзд. ).

Количество топлива, сжигаемого в одном кг воздуха для дизеля при заданных условиях, определено
q = 0,0375 кг/(кг вoзд. ) .

Удельный импульс по топливу
I_уд = 872,9/0,375 = 22277 л. с/кг топлива.

Удельный расход топлива C_l = 3600/23277 = 0,154659 кг/(л. с. /ч).

Известный дизель Д-108 имеет значение удельного расхода топлива C_l = 0,175 кг/(л. с. /ч) при применении дизельного топлива с теплотворной способность Н₄ = 10500 ккал/кг.

Удельный расход этого дизеля по предложенной методике
С_l = 0,154659 ·(11000/10500) = 0,162 кг/(л. с. /ч. )
Поправочный коэффициент для определения удельного расхода топлива предложенного двигателя
К = 0,175/0,162 = 1,08.

Формула для определения расхода топлива, сжигаемого в одном кг воздуха, для предлагаемого двигателя определяется
q = [(C_pTкг

-C_pT*к)·1,08] /[(H₄η_г-iT*г+C_pT_к)·(C_p/Cv)] ,
Т_к* = 760 К; С_рТ_к* = 681,3; Т_г* = 1350 К;
С_рТ_г* = 1455,5; iТ_г* = 3488,65 [6] .

Н₄ η_г= 42600 (для керосина),
42600 - 3488,65 + 681,3 = 38792,
1455,5 - 681,3 = 774,2,
q = (774,2·1,08)/(39792·1,33) = 0,0158 кг/(кг возд. ).

Удельный импульс по топливу
I_уд = 484/0,0158 = 30632,9 л. с. /(кг топлива).

Удельный расход топлива
C_l = 3600/30632,9 = 0,118 кг/(л. с. /ч).

Определяются величины степени расширения газов в камерах рабочего тела и дополнительной машине расширения газов.

Удельная плотность воздуха после наполнения камер рабочего тела
γ*в

_озд= (10330·1·0,95)/(288·29,3) = 1,16 кг/м³.

Удельная плотность воздуха после сжатия в камерах рабочего тела
= (10330·14·0,95)/(670·29,3) = 7,00 кг/м³,
отношение 7/1,16 = 6,035.

В камерах рабочего тела после сжатия воздуха со степенью сжатия П_к* = 14 его объем уменьшается в 6,035 раза.

С учетом дополнительных потерь давления продуктов сгорания, подводимых в камеры рабочего тела, увеличение объема расширенных газов в камерах рабочего тела будет меньше в 6,035 раза из-за уменьшения плотности от коэффициентов потерь давления σ₂иσ₃ (см. выше).

При наполнении воздуха отклонение V_к к ΔV составит 6,035, где V_к - объем камер рабочего тела; ΔV - объем сжатого воздуха в камере наполнения. При наполнении газами занимаемый газами объем увеличится в 1/(0,95·0,95) = 1,1 раза.

Отношение объема газа после расширения в камерах рабочего тела (объема камеры рабочего тела) к объему газов в камере рабочего тела до расширения V_к к ΔV уменьшается в 1,1 раза
v_к/Δv = 6,033/1,1 = 5,4845.

Степень расширения газов в камерах рабочего тела определяется также методом последовательного приближения.

Рассматривается степень расширения газов в камерах рабочего тела П_р* = 11.

Работа расширения без учета КПД
l_р* = 1350 ˙29,3 ˙4 [1-1/11^0,25] = 71325 кгм/кг,
Т_р* = 1350 - 71325/(29,3·4) = 741,4 К.

Удельная плотность расширенного газа 95·0,95·0,95(1350/670)] /[11·741,4·29, ] 3 =
Удельная плотность газов до расширения 095/[350·29,3] =
Рассматривается П_р* = 10 без учета КПД
l_р* = 1350 ˙29,3 ˙4 1-(1/10^0,25) = 69237 кгм/кг,
Т_р* = 1350 - (69237/29,3·4) = 759 К,
095·0,95·(1350/670)] /[10·759·29,3] =
Рассматривается П_р* = 9,8 без учета КПД
l_p* = 1350˙29,3 ˙4 [1-(1/9,8^0,25)] =
= 68825 кгм/кг,
Т_р* = 1350 - 68825/(29,3·4) = 762,7 К; [14·0,95·0,95·0,95·(1350/670)] /[9,8·762,7·29,3] =
6,313/1,14 = 5,53; П_р* = 9,7, без учета КПД
l_р* = 1350 - 29,3 - 4 [1-1/9,7^0,25] =
= 68572 кгм/кг,
Т_р* = 1350 - 68572,5/(29,3·4) = 764,9 К, γ*p

= [10330·14·0,95·0,95·0,95(1350/670)] /[9,7·764,9·29,3] = 1,1487,
6,313/1,1487 = 5,49 близко к значению 5,48.

Степень расширения газов в дополнительной машине расширения определяется
П= П*p

/5,48 = 20,59/5,48 = 3,757.

Для примера рассматривается двигатель внутреннего сгорания, выполненный по предлагаемому способу и устройству, значение эффективной мощности равно N_эф = 80 л. с. , с двумя камерами рабочего тела, двумя рядами пар оппозитных цилиндров дополнительной машины расширения при значениях П_к* = 14, Т_г* = 1350 К.

Расход воздуха через камеру сгорания при этом
= 80/484 = 0,16528 кг/с.

Объемный расход воздуха при наполнении воздухом из камеры рабочего тела Q₁ = 0,16528/1,16 = 0,14248 м³/с.

Объем камеры рабочего тела при частоте вращения ротора П_р = 6000 об/мин в количестве их, равном 2, определяется v_к= 0,14248/[(6000/60)·(2/2)] = 0,14248/100 = 0,0014248 м³ = 1424,8 см³.

Если при этом внутренний диаметр D корпуса по камере рабочего тела принять равным 250 мм, а диаметр d по гильзе ротора принять равным 180 мм, то длина камеры рабочего тела равна v_к≈ [(π·25²/4)-(π·18²/4)/2] -[(25-18/2)·b_перег.] ·l ; при ширине перегородок b_перег = 2,5 см,
101,9 ˙ l ≈1424,8; l ≈1424,8/101,9 ≈13,98 см ≈140 мм.

Удельная поверхность газов в цилиндрах дополнительной машины расширения газов до расширения
γ*з

_д.м = = 0,9852 кг/м³.

Объемный расход газа через цилиндры Q_г = 0,16528/0,9852 = 0,1678 м³/с = 167800 см³/с.

При частоте вращения коленвала n_к.в. = = 6000 об/мин при охлаждении атмосферным воздухом при общем количестве цилиндров 4 объем одного цилиндра ΔV определяется
Δv = [(167800/6000)/60] ·2 = 839 см³ = 839 см³.

Степень расширения газов в цилиндрах дополнительной машины расширения газов определена П = 3,757 (см. выше).

Работа расширения при этом без учета КПД l_р* = 764,9 ˙29,3 ˙4 [1-1/3,757^0,25] =
= 25280,25 кгм/кг;
Т_р* = 764,9 - 25280,25/(29,3·4) = 549,2 К;
γ*p

= 10330/(σ₆·549·29,3) = 0,7555 кг/м³.

Объемный расход газов при этом
Q_г = 0,16528/0,7555 = 0,2188 м³/с,
γ*г

_.а.м/γ*p = 0,9852/0,2188 = 4,502,
V_ц = 839 ˙4,502 = 3788 см³.

При ходе поршней Н = D диаметр поршней цилиндров определяется
(π·D²/4)D = 3788; D = = = 16,9 см
Для уменьшения диаметра поршней цилиндров количество оппозитно расположенных цилиндров можно увеличить. При общем количестве цилиндров z = 8 рабочий объем одного цилиндра V_ц = 3788/4;
D = = = 10,6 см.

При выполнении дополнительной машины расширения без охлаждения диаметр цилиндров поршней при общем количестве их 8 имеет значение частоты вращения коленчатых валов
n_кв = 6000 об/мин диаметр поршней цилиндров определяется
D = = = 8,45 cм. (56) Патент США N 4245597, кл. F 02 B 53/00, опубл. 1981.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляется путем впуска свежего заряда в роторную объемную машину сжатия, перепуска его в камеру сгорания при постоянном объеме, подачи в последнюю топлива через по меньшей мере одну форсунку, воспламенения и сгорания топливно-воздушной смеси, перепуска горячих газов из камеры сгорания и двухстадийного расширения отработавших газов с преобразованием работы расширения во вращение выходного вала и последующим их выпуском в атмосферу. Газы перепускают из камеры сгорания обратно в роторную машину с расширением в ней. Подачу топлива в камеру сгорания осуществляют постоянно, а дорасширяют горячие газы путем их перепуска из роторной объемной машины в поршневой расширитель, при этом количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, регулируют изменением количества подключаемых форсунок. Двигатель внутреннего сгорания содержит корпус, установленные в нем на выходном валу роторные нагнетатель и расширитель, выполненные в виде полого цилиндра с установленными в нем радиальными перегородками и цилиндрическим вращающимся поршнем, машину повторного расширения, камеру сгорания постоянного объема, соединенную с нагнетателем и расширителем при помощи газовых каналов с установленными в них клапанами с приводом и снабженную по меньшей мере одной форсункой и воспламенителем. Роторные расширитель и нагнетатель выполнены заодно, на рабочей поверхности цилиндра нагнетателя выполнено кольцевое эластичное уплотнение. Вращающийся поршень выполнен в виде подшипника качения, установленного на выходном валу эксцентрично относительно оси цилиндра с возможностью контакта его обоймы с уплотнением цилиндра. Перегородки установлены на цилиндрических направляющих, закрепленных в цилиндре. Машина повторного расширения выполнена поршневой и снабжена механизмом газораспределения и коленчатым валом, соединенным с выходным валом. Привод клапанов выполнен в виде кулачковых дисков, установленных соосно с выходным валом и связанных с ним кинематически при помощи редуктора. Механизм газораспределения дополнительной расширительной машины выполнен в виде золотника, установленного вокруг поршневой машины, соединен кинематически с кулачковым диском и снабжен кольцевым заборником газов, связанным с расширителем роторной машины. 2 з. п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, осуществляемый путем впуска, свежего заряда в роторную объемную машину, сжатия, перепуска сжатого заряда в камеру сгорания постоянного объема, подачи в последнюю топлива через по меньшей мере одну форсунку, воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси, перепуска горящих газов из камеры сгорания и двухстадийного расширения отработавших газов с преобразованием работы расширения во вращение выходного вала и последующим их выпуском в атмосферу, отличающийся тем, что подачу топлива в камеру сгорания осуществляют постоянно, горящие газы перепускают из камеры сгорания обратно в роторную объемную машину с расширением в ней отработавших газов, а дорасширяют последние путем их перепуска из роторной объемной машины в поршневой расширитель, причем количество топлива, подаваемого в камеру сгорания, регулируют путем изменения количества подключаемых форсунок. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, установленные в нем на выходном валу роторные нагнетатель и расширитель, выполненные в виде цилиндра с установленными в нем перегородками и вращающимся поршнем, и машину продолженного расширения и камеру сгорания постоянного объема, соединенную с нагнетателем и расширителем при помощи газовых каналов с установленными в них клапанами с приводом и снабженную по меньшей мере одной форсункой и воспламенителем, отличающийся тем, что роторные нагнетатель и расширитель выполнены заодно, на рабочей поверхности цилиндра расположено кольцевое эластичное уплотнение, вращающийся поршень выполнен в виде подшипника качения, установленного на выходном валу эксцентрично относительно оси цилиндра и контактирующего своей обоймой с уплотнением цилиндра, перегородки установлены на цилиндрических направляющих, закрепленных в цилиндре, машина продолженного расширения выполнена поршневой и снабжена механизмом газораспределения и коленчатым валом, соединенным с выходным валом, а привод клапанов выполнен в виде кулачковых дисков, установленных соосно с выходным валом и связанных с ним кинематически при помощи редукторов с передаточным отношением i= 2, причем механизм газораспределения выполнен в виде золотника, установленного вокруг машины продолженного расширения, соединенного кинематически с кулачковым диском и снабженного кольцевым заборником газов, связанным с расширителем роторной машины. 3. Двигатель по п. 2, отличающийся тем, что золотник механизма газораспределения снабжен кольцевым заборником подвода охлаждающего воздуха.