АДИАБАТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B75/08 F02F1/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к адиабатным двигателям внутреннего сгорания.

Известен адиабатный двигатель внутреннего сгорания, в котором детали цилиндропоршневой группы выполнены из металлокерамики, что позволяет уменьшить потери тепла в систему охлаждения двигателя. Недостатком его является низкая надежность теплоизоляционного материала из-за его недолговечности при циклических температурных и механических нагрузках.

Наиболее близким техническим решением к описываемому двигателю является адиабатный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с головкой, расположенный в нем поршень с днищем, связанный с выходным валом, впускной патрубок, соединенный с головкой, и силовую втулку, установленную вокруг рабочего цилиндра соосно с ним, причем рабочий цилиндр, его головка и днище поршня, образующие камеру сгорания, выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, в частности, из металлокерамики. Указанное техническое решение принято в качестве прототипа.

Недостатки прототипа заключаются в низкой надежности деталей камеры сгорания, выполненных из металлокерамики, из-за быстрого их разрушения под воздействием циклических нагрузок, а также в необходимости выполнения зазора между цилиндрическими поверхностями поршня и цилиндра из-за низких характеристик материала при их взаимодействии при перемещении поршня, что приведет к снижению эффективности работы двигателя.

Цель изобретения: повышение надежности достигается в предложенном двигателе за счет выполнения деталей цилиндропоршневой группы из монокристалла, например, лейкосапфира, на поверхности которого отсутствуют концентраторы напряжений, а низкий коэффициент трения при этом, высокая твердость и низкий коэффициент линейного расширения позволяют установить поршень с непосредственным его контактом со стенками цилиндра и возможно отказаться от установки уплотнений. Выполнение силовой втулки их металлокерамики, в отличие от прототипа, в котором втулка выполнена из металла, позволяет установить рабочий цилиндр и втулку в контакте без зазора, например, с натягом из-за близких по значению коэффициентов линейного расширения материала, из которых они выполнены.

На фиг. 1 представлен описываемый двигатель; на фиг.2 - то же, вариант соединения головки с цилиндром.

Адиабатный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один рабочий цилиндр 1 с головкой 2, расположенный в нем поршень 3 с днищем 4, связанный с выходным валом (не показан), впускной патрубок 5, соединенный с головкой 2, по меньшей мере, одну силовую втулку 6, установленную вокруг рабочего цилиндра 1 соосно с ним. Рабочий цилиндр 1, его головка 2 и днище 4 поршня 3, образующие камеру сгорания 7, выполнены из монокристалла, например, лейкосапфира. Двигатель снабжен двумя пластинами 8 и 9, между которыми установлен своими торцами рабочий цилиндр 1 с головкой 2, а пластины стянуты между собой, например, шпильками 10. Силовая втулка 6 выполнена из металлокерамики, причем ее внутренняя поверхность, а также поверхность пластины 8, контактирующая с головкой 2, выполнены полированными, а на внутренней поверхности поршня 3 выполнено отражающее покрытие 11.

Поршень 3 может быть выполнен цилиндрическим и связан с выходным валом (не показан) при помощи штока 12, расположенного в отверстии 13 пластины 9.

Отражающее покрытие 11 поршня 3 может быть выполнено в виде диска 14 (фиг. 2), диаметр которого не больше диаметра поршня 3, а поверхность диска 14, контактирующая с поверхностью поршня 3, выполнена полированной.

Отражающее покрытие 11 поршня 3 может быть выполнено также из напыленного на его поверхность металла.

Головка 2 может быть выполнена как заодно с цилиндром 1, так и скрепленной с ним, например, путем склеивания.

Впускной патрубок 5 может быть выполнен в виде втулки 15 с конусной частью 16, размещенной в соосных отверстиях головки 2 и пластины 8, причем отверстие в головке 2 выполнено конусным с увеличением его диаметра в сторону камеры сгорания 7, на наружной поверхности втулки 15 выполнена резьба, на которую навернута стяжная гайка 17, внутренняя поверхность конусной части 16 патрубка 5 контактирует с посадочной поверхностью клапана 18, а внешняя конусная часть - с конусным отверстием головки 2.

Двигатель работает следующим образом. Работа расширения горящих газов передается на выходной вал (не показан) посредством перемещающегося возвратно-поступательного поршня 3. Тепло газов практически не передается в окружающую среду благодаря низкой теплопроводности монокристаллов, в частности, лейкосапфиров. Выбор монокристалла лейкосапфира для выполнения рабочего цилиндра 1 и поршня 3 обусловлен также и его низким коэффициентом трения, что может позволить обойтись без смазки цилиндропоршневой группы, что, в свою очередь, приведет к снижению токсичности отработавших газов, уменьшению нагарообразования на стенках камеры сгорания 7 и расхода масла. Сравнительно низкий коэффициент линейного расширения материала поршня 3 и цилиндра 1 может также позволить обойтись и без уплотнительных колец, которые в прототипе установлены в блоке цилиндров. Так как монокристалл более устойчив к циклическим температурным нагрузкам, именно в описываемом двигателе может быть установлена форсунка 19 для впрыска в камеру сгорания 7 воды, что позволит более полно использовать тепло газов особенно в адиабатном двигателе, а также еще более снизить токсичность отработавших газов.

Выполнение силовой втулки 6 именно из металлокерамики, обладающей коэффициентом линейного расширения, близким по значению к коэффициенту монокристалла, позволяет напрессовывать ее на рабочий цилиндр 1 для создания предварительного напряжения обратного знака для лучшей работы рабочего цилиндра 1 на растяжение при сгорании. Керамическая втулка 6 выполняет также роль дополнительного теплоизоляционного слоя, а полировка внутренней ее поверхности, а также внутренней поверхности пластины 8 позволит уменьшить потери лучистой составляющей тепла горящих газов. Для этой же цели служит и отражающее покрытие 11 поршня 3.

Предварительно стягивание рабочего цилиндра 1 шпильками 10 в осевом направлении также позволяет улучшить работу материала рабочего цилиндра 1 при максимальных давлениях сгорания.

Выполнение связи поршня 3 с выходным валом (не показан) в виде штока 12 позволит упростить узел связи с ним поршня 3 за счет, например, их склеивания (шток также может быть выполнен из монокристалла), а также - воспринимать совместно с пластиной 9, в отверстие которой он установлен, различные боковые нагрузки, возникающие в механизме преобразования движения.

Выполнение впускного патрубка 5, а также и выпускного (не показан) в виде втулки 15 с конусной частью 16 позволит закрепить его на двигателе, а также дополнительно скрепить пластину 8 с головкой 2 между собой. При этом седло клапана 18 за счет такого выполнения патрубка 5 может быть сменным.

Таким образом, описанное выше выполнение адиабатного двигателя позволит повысить его надежность за счет увеличения ресурса теплоизоляционного покрытия, при одновременном снижении токсичности отработавших газов за счет возможности установки в его камере сгорания водяной форсунки и отсутствия смазки между трущимися деталями цилиндропоршневой группы.

Сущность изобретения: изобретение позволяет повысить надежность работы адиабатного двигателя за счет выполнения деталей его цилиндро-поршневой группы из монокристалла лейкосапфира, на поверхности которого отсутствуют концентраторы напряжений, а низкий коэффициент трения материала, его высокая твердость и низкий коэффициент линейного расширения позволяют установить поршень 3 с непосредственным его контактом со стенками рабочего цилиндра 1, что, в свою очередь, позволит отказаться от уплотнений. Выполнение силовой втулки 6 из металлокерамики позволяет установить рабочий цилиндр 1 и втулку 6 с натягом. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. АДИАБАТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий по меньшей мере один рабочий цилиндр с головкой, расположенный в нем поршень с днищем, связанный с выходным валом, впускной патрубок, соединенный с головкой, и по меньшей мере одну силовую втулку, установленную вокруг рабочего цилиндра соосно с ним, причем рабочий цилиндр, его головка и днище поршня, образующие камеру сгорания, выполнены из материала с низким коэффициентом теплопроводности, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, он снабжен двумя пластинами, цилиндр, головка и днище поршня выполнены из монокристалла, силовая втулка выполнена из металлокерамики с коэффициентом теплопроводности, равным или близким по значению коэффициенту теплопроводности рабочего цилиндра, рабочий цилиндр с головкой установлен своими торцами между пластинами, стянутыми шпильками, на внутренней поверхности поршня выполнено отражающее покрытие, а поверхность пластины, контактирующая с головкой, выполнена полированной. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в камере сгорания установлена водяная форсунка. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что цилиндр, его головка и днище поршня выполнены из монокристалла лейкосапфира. 4. Двигатель по пп.1 - 3, отличающийся тем, что поршень выполнен в виде сплошного цилиндра и связан с выходным валом при помощи штока, расположенного в отверстии одной из пластин. 5. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что отражающее покрытие поршня выполнено в виде диска, диаметр которого не более диаметра поршня, причем поверхность диска, контактирующая в поверхностью поршня, выполнена полированной. 6. Двигатель по пп.1 - 5, отличающийся тем, что отражающее покрытие поршня выполнено из напыленного на его поверхность металла. 7. Двигатель по пп.1-6, отличающийся тем, что цилиндр установлен в силовой втулке с натягом. 8. Двигатель по пп.1-7, отличающийся тем, что головка скреплена с цилиндром, например, путем их склеивания. 9. Двигатель по пп.1-8, отличающийся тем, что впускной патрубок выполнен в виде втулки с конусной частью, размещенной в соосных отверстиях головки и пластины, причем отверстие в головке выполнено конусным с увеличением диаметра отверстия в сторону камеры сгорания, на наружной поверхности втулки выполнена резьба, на которую навернута стяжная гайка, внутренняя конусная часть патрубка контактирует с посадочной поверхностью клапана, а внешняя конусная часть - с конусным отверстием головки цилиндра.