ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК F02B33/22 F02G3/02 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при проектировании двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различного назначения.

Известны двигатели, работающие по циклам Отто и Дизеля ( Фомин Ю.А. и др. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л. Судостроение, 1989, с. 6).

Недостатком этого двигателя является невысокая степень сжатия рабочего тела. В ДВС, работающих по циклу Отто, она ограничена октановым число топлива, а у дизелей высокой температурой нагрева воздуха в результате сжатия.

Известен двигатель (авт. св. СССР N 1580037, кл. F 02 G 1/02, 1988), в котором имеется возможность повышения степени сжатия воздуха за счет сжатия его в охлаждаемом компрессоре. Затем сжатый воздух вытесняют в камеру сгорания и ресивер, нагревают теплом предыдущего цикла от теплообменника, расположенного в камере сгорания, и впрыскивают в него топливо, в результате сгорания которого совершается рабочий ход. Этот двигатель принят в качестве прототипа изобретения.

Недостатком такого двигателя является его низкая экономичность вследствие того, что компрессор и камера сгорания объемной машины подсоединены к ресиверу параллельно через один и тот же перепускной канал, поэтому поступающий в камеру сгорания сжатый воздух в зависимости от количества рабочих цилиндров, подсоединенных к перепускному каналу и емкости последнего, может частично или полностью миновать ресивер. В результате охлаждение сжатого воздуха производится только в компрессоре, затраты механической работы на сжатие остаются большими, а степень сжатия ограничена и не намного превышает степень сжатия дизеля. Для совершения рабочего хода используется только часть пути, проходимого поршнем от ВМТ к НМТ. Образование топливовоздушной смеси производится только за счет энергии струи подаваемого топлива, вследствие чего смесь недостаточно качественная, а сгорание неполное. В результате, несмотря на степень сжатия большую, чем у ДВС, работающих по циклам Отто и Дизеля, экономичность прототипа ниже последних. Кроме того, чрезвычайно высокая сложность конструкций теплообменника и компрессора делает этот ДВС дорогим в изготовлении и не надежным в эксплуатации.

С целью повышения экономичности ДВС, содержащем компрессор, расширительную объемную машину, соединенную с компрессором при помощи перепускного канала с впускным патрубком и клапаном со штоком и снабженную теплообменником и рабочим органом, ограничивающим камеру сгорания, ресивер, сообщенный с перепускным каналом, и топливную магистраль, ресивер размещен в перепускном канале, впускной патрубок выполнен с сужением, топливная магистраль подсоединена к наименьшему сечению сужения и снабжена запорным органом, выполненным в виде штока впускного клапана, выполненного с кольцевой проточкой, или в виде обратного клапана, а теплообменник прикреплен к рабочему органу расширительной машины.

Подсоединение ресивера между камерой сгорания и компрессором, а топливной магистрали к минимальному сечению сужения подающего патрубка, снабжение ДВС запорным органом, выполненным в виде обратного клапана или канавки в штоке впускного клапана, и прикрепление теплоообменника к рабочему органу расширительной объемной машины позволяет существенно повысить экономичность ДВС.

Отсутствуют данные о признаках, сходных с признаками предложения, отличающих его от прототипа. Следовательно, предлагаемое решение отвечает критерию изобретения "существенные отличия".

На фиг. 1 изображена принципиальная схема поршневого двигателя; на фиг. 2 схема регулирования при эжекционной подаче топлива; на фиг. 3 представлены впускные клапаны; на фиг. 4 показана установка теплообменника в цилиндре поршневой расширительной машины, вариант; на фиг. 5, 6 и 7 принципиальная схема роторного двигателя.

Поршневой двигатель состоит из двух рабочих 1 и двух компрессорных цилиндров с установленными в них рабочими 3 и компрессорными 4 поршнями, соединенными через шатуны 5 и 6 с коленчатым валом 7, на котором закреплен маховик 8. К днищам поршней 3 прикреплен теплообменник 9, представляющий собой диски, выполненные из жаропрочных проволочной путанки, металлической сетки или пористого материала (вольфрамовой проволоки или сетки, пористой керамики и т. д.). К торцам рабочих цилиндров 1 подсоединены выхлопные 10 и впускные 11 патрубки с установленными в них соответственно выхлопными 1 и впускными 13 клапанами. Патрубки 10 сообщены с атмосферой, а патрубки 11 общим коллектором через электроприводной клапан 15 с охлаждаемым ресивером 16. Последний через подпружиненный клапан 17, коллектор 18, патрубки 19 и клапаны 20 и сообщены с охлаждаемыми компрессорными цилиндрами 2, а через клапаны 21 и патрубки 22 сообщены с атмосферой. Впускные клапаны 13 имеют проточки 23, позволяющие сообщать каналы 24 подачи топлива с эжекторными сужениями 25 в патрубках 11. В коллекторе 18 установлен электроприводной клапан 26.

На фиг. 2 показан топливный бак 27, через насос 28, дроссель 29, обратные клапаны 30 и проточки 23 в клапане 13 сообщенный с эжекторами 25.

Работа поршневого двигателя.

В исходном положении в ресивере 16 имеется избыточное давление. Перед запуском тем или иным способом (например, встроенной электроспиралью) подогревают теплообменники 9. При пуске двигателя включаются электроприводные клапаны работы 15 и декомпрессии 26. При этом из ресивера сжатый воздух поступает в левый рабочий цилиндр 1, в котором клапан 13 открыт, а поршень 3 находится вблизи ВМТ. При своем движении воздух эжектирует топливо из канала 24 и смешивается с ним. Благодаря значительному перепаду давлений (при степени сжатия воздуха в компрессоре Е_к 30 давление Р_р в ресивере 16 в зависимости от поддерживаемой в нем температуре Т_р >Т_о равно Р_р>3 Мпа, где Т_о температура атмосферного воздуха, а в цилиндре 1 равно атмосферному давлению Р_ц>0,1 МПа) и малому объему камеры сгорания в этот момент (V_к 1/30 полного объема) происходит быстрое наполнение камеры сгорания, которой в это мгновение является внутренний объем теплообменника 9. Высокая скорость движения горючей смеси и развитая поверхность теплообменника 9 способствуют лучшему измельчению капель топлива и интенсивному дополнительному перемешиванию топливовоздушной смеси. Клапан 13 закрывается. Давление поступающего воздуха достаточно для перемещения поршня 3 вниз и поворота коленчатого вала, тем более что вследствие сообщения клапаном 26 коллектора 18 с атмосферой со стороны компрессора не оказывается сопротивления движению. Еще при нахождении поршня 3 в ВМТ раскаленная спираль воспламеняет подогретую горючую смесь, в результате чего последняя сгорает и совершается рабочий ход. Выделившееся при этом тепло дополнительно подогреет теплообменник 9. По достижении левым поршнем 3 НМТ, а правым ВМТ в левом цилиндре 1 открывается, а в правом закрывается выхлопной клапан 12. В этот момент в правом цилиндре 1 открывается впускной клапан 13. Теперь в правый цилиндр 1 подается горячая смесь, а после закрытия клапана 13 она воспламеняется. Происходит подогрев второго теплообменника 9 с одновременным совершением рабочего хода. В левом цилиндре 1 при этом происходит выхлоп вытеснение отработанных продуктов сгорания. Таким образом, циклы в обоих цилиндрах поочередно повторяются, вызывая нарастание температуры теплообменника 9. В тот момент, когда температуры и тепла, накопленного теплообменником 9 за цикл, окажется достаточно для нагрева тепловоздушной смеси, поступающей в камеру сгорания за цикл и ее надежного воспламенения, частота вращения вала 7 достигнет рабочей величины и работа двигателя становится устойчивой. Происходит автоматическое отключение питания спирали и декомпрессионного клапана 26. Теперь из компрессорных цилиндров 2 в ресивер 16 нагнетается воздух, чем восполняется его расход в камеру сгорания цилиндров 1. Двигатель полностью переходит с пускового режима на рабочий.

Регулирование мощности ДВС производится изменение подачи топлива с помощью переменного дросселя 29.

С целью конструктивного упрощения поршневого двигателя при наличии достаточно высокой температуры выхлопных газов (турбонаддув компрессора) теплообменники можно установить не на днище поршней 3, а в цилиндры 1, в наименьший объем камеры сгорания, как показано на фиг. 4.

Расширительная объемная машина предлагаемого двигателя в роторном исполнении состоит из корпуса 30 с установленными в него двумя соосными роторами, имеющими пары лопастей 31 и 32, образующих в корпусе 30 четыре рабочие камеры. С помощью соединения типа "ласточкин хвост" к одной и той же по отношению к направлению вращения поверхности каждой лопасти прикреплены теплообменники 33. Через два окна 34, два патрубка 35 и коллектор 36 внутренняя полость корпуса 30 сообщена с ресивером 37, а через два окна 39 с атмосферой. В нерабочем состоянии отверстие из ресивера 37 в патрубок 36 прикрыто электроуправляемым клапаном 38. Через второе отверстие, прикрытое подпружиненным обратным клапаном 40, патрубок 41 и отверстие 42 в корпусе 43 ресивер 37 сообщен с внутренней полостью корпуса 43 компрессорной объемной роторной машины. В корпусе 43 установлен ротор 44, в пазах которого расположены пластины 45, образующие в корпусе 43 четыре компрессорные камеры. Через отверстие, прикрытое электроуправляемым клапаном 46, и окно 47 внутренние полости соответственно патрубка 41 и корпуса 43 сообщены с атмосферой. На валах роторов 31 и 32 установлены некруглые шестерни 48 и 49, которые находятся в зацеплении с некруглыми шестернями 50 и 51, закрепленными на валу 52.

Работа роторного двигателя.

При вращении вала 52, а вместе с ним и двух роторов с лопастями 31 и 32 последние благодаря находящимся в зацеплении некруглым шестерням 48, 49, 50 и 51 то сближаются, то расходятся, увеличивая и уменьшая объемны четырех образованных ими рабочих камер. Причем во время уменьшения камеры через выпускные окна 39 сообщены с атмосферой. Затем камеры с уменьшенным объемом разъединяются с атмосферой и на короткое время проходят мимо окон 34, сообщаясь с ресивером 37, отверстие которого во время работы двигателя приоткрыто электроприводным клапаном 38.

Как и в поршневом двигателе, сжатый воздух из ресивера 37 и топливо, интенсивно перемешиваясь, быстро поступают в уменьшенный объем камеры сгорания, в теплообменники 33. Нагреваясь в них, топливовоздушная смесь воспламеняется, в результате чего теплообменники еще больше нагреваются, а газы, расширяясь, совершают рабочий ход. После запуска двигателя клапан 46 отключается, и в ресивер 37 из компрессора начинает поступать сжатый воздух.

Двигатель может иметь и другие комбинации поршневых и роторных объемных машин. Могут сочетаться роторный компрессор с поршневой расширительной объемной машиной и наоборот.

Компрессорная часть может выполняться из объемных и необъемных нагнетательных устройств, одноступенчатых и многоступенчатых. В последнем случае в основном на первой ступени может применяться турбонагнетатель или нагнетатель типа "компрекс", использующие энергию выхлопных газов.

По сравнению с наиболее используемыми двух- и четырехтактными двигателями, работающими по известным циклам Отто и Дизеля, предложенный ДВС имеет следующие преимущества. Он более экономичен вследствие того, что процесс сжатия приближен к изотермическому, так как производится в охлаждаемом компрессоре с вытеснением сжатого воздуха в охлаждаемый ресивер, и лишь после этого сжатый воздух попадает в камеру сгорания, что позволяет уменьшить затраты механической работы на замыкание цикла. Возможно использование более высокой степени сжатия Е. В карбюраторных ДВС (цикл Отто) она жестко ограничена октановым числом топлива, в дизеле уже при Е>20.24 температура сжатого воздуха заметно приближается к допустимой для двигателя температуре сгорания. В итоге сближаются по величине работы, затраченная на сжатие рабочего тела и полученная от его расширения при рабочем ходе. Для "адиабатного" ДВС (двигателя без охлаждения камеры сгорания) допустимая величина Е еще меньше. Обеспечивается более полное сгорание топлива благодаря наличию повышенной степени сжатия, более высокого качества перемешивания топливовоздушной смеси и нагрева ее по всему объему до боле высокой температуры. Возможна регенерация тепла отработанных продуктов сгорания путем передачи ее через стенку впускного патрубка поступающим в камеру сгорания сжатому воздуху или топливовоздушной смеси.

Предложенный ДВС экологичен из-за того, что необходимо меньшее количество топлива на единицу мощности, топливо сгорает полнее. Благодаря более высоким степени сжатия заряда смеси, температуры подогрева ее и лучшего смесеобразования обеспечивается надежное объемное воспламенение и горение различных видов топлива независимо от их октанового и цетанового чисел. Он имеет более высокую удельную мощность из-за наличия повышенной степени сжатия, возможности использования большей, чем в дизеле и даже в карбюраторном двигателе (цикл Отто) частоты вращения вала и меньших затрат механической работы на сжатие рабочей смеси, более простую конструкцию, так как с добавлением конструктивно простых теплообменника, ресивера и пускового подогревателя исключаются довольно сложные пусковое устройство, система зажигания и карбюратор в двигателе Отто или система впрыска в двигателе Дизеля. Возможно использование энергии сжатого воздуха в транспортных средствах, снабженных предлагаемым ДВС, для привода различных механизмов, например тормозов, стеклоочистителей, кондиционеров и т.д. Кроме того, предлагаемый ДВС имеет лучшую по сравнению с двигателями, работающими по другим циклам, возможность создания "адиабатного" двигателя более экономичного, чем охлаждаемые ДВС, с КПД, максимально приближенным к теоретическому 0,75.0,85, более простую возможность создания "малошумящего" ДВС двигателя с повышенной степенью расширения вследствие того, что сжатие и расширение производятся в разных рабочих объемах.

Таким образом, использование данного предложения позволяет построить двигатель более экономичный, экологичный, простой и с лучшими эксплуатационными качествами, чем используемые в настоящее время.

Сущность изобретения: ресивер размещен в перепускном канале, впускной патрубок выполнен с сужением, а магистраль подачи топлива подсоединена к минимальному сечению сужения и снабжена запорным органом. Последний может быть выполнен в виде штока впускного клапана, выполненного с кольцевой проточкой, или в виде обратного клапана. Теплообменник может быть прикреплен к рабочему органу расширительной машины. 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий компрессор, расширительную объемную машину, соединенную с компрессором при помощи перепускного канала с впускными патрубком и клапаном со штоком и снабженную теплообменником и рабочим органом, ограничивающим камеру сгорания, ресивер, сообщенный с перепускным каналом, и топливную систему с магистралью подачи топлива, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, ресивер размещен в перепускном канале, впускной патрубок выполнен с сужением, а магистраль подачи топлива подсоединена к минимальному сечению сужения и снабжена запорным органом. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что запорный орган выполнен в виде штока впускного клапана, снабженного кольцевой проточкой. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что запорный орган выполнен в виде обратного клапана. 4. Двигатель по пп.1-3, отличающийся тем, что теплообменник прикреплен к рабочему органу расширительной машины.