ДВИГАТЕЛЬ КАШЕВАРОВА "ДК" Российский патент 1996 года по МПК F02B41/00 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для любых видов транспорта, а также для любых машин, использующих различные двигатели.

Создание предлагаемого двигателя диктуется актуальностью решения проблемы энергосбережения, металлосбережения и экономии средств, необходимых для производства двигателей, их эксплуатации и ремонта.

Используемые в настоящее время двигатели внутреннего сгорания (ДВС), являющиеся аналогом предлагаемого двигателя, имеют малый КПД, большую стоимость изготовления и эксплуатации, большую металлоемкость малую удельную мощность (мощность, приходящуюся на единицу массы ДВС), малый ресурс безаварийной работы и большую стоимость ремонта.

Прототипом предлагаемого двигателя является двигатель, имеющий следующие недостатки:
камера сгорания заполняется сжатым воздухом с весьма большой долей выхлопных газов, оставшихся в камере сгорания и в газоводах от предшествовавшего воспламенения топлива, а также выхлопных газов плохо проветренного пространства верхней части цилиндра при его поперечной продувке;
исходя из почти равных объемов цилиндра и камеры сгорания с газоводами, степень сжатия в камере сгорания будет недостаточной для воспламенения дизельного топлива, а исходя из системы охлаждения газоводов, идущего от цилиндра к камере сгорания, будет недостаточной и по температуре воспламенения дизельного топлива в смеси сжатого воздуха и оставшихся выхлопных газов;
продукты сгорания топлива после его воспламенения в камере сгорания проходят длинный извилистый путь в охлажденном корпусе головки цилиндра, в результате чего их температура существенно понизится, а вместе с ней уменьшится их объем и давление, что соответственно снизит и энергетический потенциал а, следовательно, уменьшит КПД и мощность ДВС;
малое количество чистого воздуха, поступающего в камеру сгорания, при большом процентном содержании оставшихся в камере выхлопных газов будут причиной не полного сгорания топлива, что отрицательно скажется на КПД и мощности ДВС, малое давление топливной смеси также будет причиной малого КПД и мощности ДВС;
учитывая вышеизложенные конструктивные недостатки ДВС запуск двигателя даже летом не представляется возможным при любом времени работы стартера, т. к. в камере сгорания не будет достигнута та температура, при которой может произойти воспламенение дизельного топлива.

В предлагаемом ДВС нет вышеизложенных недостатков прототипа, а его основные параметры эффективности (КПД, удельная мощность и др.) существенно выше чем у прототипа, что обусловлено следующими его конструктивными отличиями от ДВС по прототипу;
работа камеры сгорания не имеет жесткой функциональной зависимости от работы цилиндров, заполнение камеры сгорания сжатым воздухом, впрыск в нее горючего (топлива) и воспламенение топливной смеси не связано, как у прототипа с положением поршня в цилиндре ДВС, в результате чего камера сгорания работает в своем оптимальном режиме, а цилиндры в своем;
камера сгорания имеет в 4 раза большую частоту воспламенений топливной смеси чем у прототипа при равной скорости вращения коленчатого вала (или при равном времени рабочего цикла одного цилиндра), вследствие чего повышается не только КПД, но и удельная мощность ДВС, а также в 4 раза уменьшаются тепловые потери камеры сгорания, приходящиеся на один цилиндр, следовательно, только поэтому конструктивному отличию в 4 раза будут меньше тепловые потери камеры сгорания на каждый кВт ее мощности;
камера сгорания и газоводы от нее к цилиндрам имеют меньшие тепловые потери чем у прототипа и за счет других конструктивных отличий;
цилиндры предлагаемого ДВС имеют выхлопные трубы, установленные в их верхнем торце, что, как известно, обеспечивает больший КПД ДВС по сравнению с поперечной продувкой цилиндра, реализованной в прототипе;
использование в прототипе цилиндра и поршня в качестве компрессора по сравнению с компрессором предлагаемого двигателя имеет следующие недостатки;
сжатый воздух поступает в камеру сгорания через камеру вращающегося цилиндрического клапана и газоводы, в которых теряется значительная часть степени сжатия, так как сжатый воздух смешивается с менее сжатым и более холодным (остывшим) воздухом, находящимся в камере цилиндрического клапана и газоводов;
поршнем в цилиндре сжимается воздух с остатками выхлопных газов, обусловленных дефектами примененной в цилиндре поперечной продувки в кратковременный момент нахождения торца поршня ниже отверстий в цилиндре, через который производится продувка цилиндра;
сжатый воздух с остатками выхлопных газов поступает в камеру сгорания, заполненную выхлопными газами сжатыми до давления, превосходящее атмосферное в 2-3 раза, в результате чего в камере сгорания перед впрыском дизельного топлива устанавливается давление, по крайней мере в 2 раза меньше того, которое было достигнуто в цилиндре, а в камере сгорания будет значительный процент выхлопных газов, что приводит к неполному сгоранию дизельного топлива;
в камеру сгорания может быть подано воздуха менее того количества, которое поступит в ту часть цилиндра, которая находится выше отверстий для продувки цилиндра, что явно недостаточно для реализации возможной мощности работы камеры сгорания и мощности работы поршня цилиндра ДВС.

В предлагаемом ДВС благодаря использованию специального компрессора все эти недостатки прототипа исключены, так как в камеру сгорания поступает чистый воздух необходимой степени сжатия и в достаточном количестве для интенсивной работы камеры сгорания, при этом производится продувка сжатым воздухом камеры сгорания, после чего в камеру сгорания поступает газ и сжатый воздух, оптимальный по давлению, температуре и количеству для полного сгорания газового топлива. Таким образом использование отдельного компрессора для ДВС является не недостатком, а достоинством предлагаемого двигателя, так как повышает его КПД и удельную мощность.

В предлагаемом ДВС тепловая энергия воспламененных газов, прошедшая через термоизоляцию камеры сгорания, нагревает сжатый воздух и природный газ в камерах 3, 4 и 5 и в трубках 6, через которые вместе с воздухом и природным газом эта тепловая энергия возвращается в камеру сгорания 1. В известном ДВС такая тепловая энергия через корпус 8 и ребра радиатора 7 излучается в воздух, окружающий ДВС, и является тепловыми потерями, уменьшающими КПД двигателя. Тепловые потери будут также и в газоводах, в золотниковом устройстве и цилиндрах, охлаждаемых водой. При этом газы, охлаждаемые водой в золотниковом устройстве и в газоводах, поступающие из камеры сгорания, потеряют существенную часть своей энергии, что приводит к снижению КПД и мощности двигателя. Кроме того, цилиндрическая камера сгорания известного ДВС имеет большое отношение площади ее поверхности к ее объему, что также отразится на увеличении тепловых потерь по сравнению со сферической камерой сгорания предлагаемого ДВС.

На фиг.1 изображен двигатель, вид сверху; на фиг.2 и 3 сечение А-А и Б-Б на фиг.1; на фиг.4 сечение В-В на фиг.1 головной части двигателя в увеличенном масштабе по сравнению с фиг.1; на фиг.5 сечение по уровню "аб" на фиг.4 с положением вкладыша: на "а" открытом в сторону газовода 1, на "б" повернутым на 45^о в сторону газовода 11; на фиг.6 сечение Г-Г на фиг.4; на фиг.7 схема расположения колен двух коленчатых валов (в масштабе фиг.1).

Двигатель ДК имеет камеру сгорания 1 (фиг.4) шаровидной формы, помещенной в центре оголовника 2, на периферийной части которого находятся кольцевые камеры 3 и 4 соответственно для природного газа и сжатого воздуха и центральная камера 5 для сжатого воздуха. Камера сгорания 1 соединена с камерами 3, 4 и 5 трубками 6, через которые в камеру сгорания 1 поступают природный газ и сжатый воздух. Природный газ в камеру 3 поступает через патрубок перекрытый клапаном 7, а сжатый воздух поступает в камеры 4 и 5 через патрубок, перекрытый клапаном 8. В камере 1 сгорания между отверстиями трубок 6, идущих от камер с сжатым воздухом и природным газом, установлены электросвечи 9, а в верхней части камеры 1 установлена форсунка 10, к которой идет трубка 11 от баллона с водой, перекрытая клапаном 12. В нижней части камеры 1 установлен цилиндрический вкладыш 13, наклонный канал 14 которого соединяет камеру 1 с одним или двумя газоводами 15 (на фиг.4 и 5 "а" канал 14 вкладыша 13 соединяет камеру 1 с одним газоводом 15 под индексом 1).

Вкладыш 13 вращается вокруг своей вертикальной оси, соединяя последовательно камеру 1 с четырьмя газоводами 15, идущими к четырем цилиндрам 16 (для удобства дальнейшего описания работы двигателя газоводам 15 и цилиндрам 16, к которым они идут, условно присвоены индексы I, II, III и IV). Вкладыш 13 вращается с помощью шагового электродвигателя 17 со скоростью вращения коленчатого вала 18 с помощью специального электрического устройства (не показано), а также с помощью конических шестерен 19 и подпятника 20, к которым вкладыш прижимается давлением газов, находящихся в камере 1. Под подпятником 20 расположена камера 21, образованная боковыми поверхностями четырех цилиндров, в которой находится вода для впрыскивания через форсунки в цилиндры 16. Камеры 1 и 21, газоводы 15 и цилиндры 16 имеют термоизоляцию 22, обозначенную на фиг.4 крестообразной штриховкой. В камере 1 термоизоляция 22 проложена между корпусом оголовника 2 и термоинерционным испарителем 23, образующим внутреннюю поверхность камеры 1 из жаропрочного металла. От цилиндра 16 отходит труба 24 выхлопных газов, перекрытая клапаном 25 с осью вращения 26.

Поршни 27 и шатуны 28 цилиндров 16 двигателя имеют обычное устройство, принятое в известных двигателях внутреннего сгорания, Щеки 29 коленчатого вала 18 имеют противовесы 30, предназначенные для уравновешивания нагрузки на коренные шейки 31 коленчатого вала 18 во время его вращения. На коленчатом валу 18 установлены шестерни 32, входящие в зацепление с шестерней 33, установленной между шестернями 32 для придания коленчатым валам 18 вращения в одном направлении и в строгом согласовании фаз движения всех четырех поршней 27 двигателя. Щеки 29 (колена) коленчатого каждого вала 18 в двух смежных цилиндрах направлены под прямым углом друг к другу, при этом щеки (колена) 29 двух коленчатых валов 18 цилиндров 16, обозначенных римскими цифрами I, II, III и IV образуют между собой углы в 90^о (см.фиг.7). Картер (поддон) 34 сдвоен по сравнению с обычным и служит резервуаром для картерного масла, предназначенного для смазки двух коленчатых валов 18 двигателя.

Работа двигателя ДК производится по управляющим электросигналам компьютера, вырабатываемыми по программам "пуск", "эксплуатационный режим" и "остановка". По программе "пуск" включается стартер, работающий от аккумуляторной батареи, приводящей в действие малый-съемный компрессор, снабжающий камеру сгорания 1 сжатым воздухом несколько первых секунд до того момента, когда двигатель наберет полные обороты на холостом ходу, в результате чего в камеру сгорания начнет поступать сжатый воздух от более мощного компрессора, работающего от вала отбора мощности двигателя, к которому подключены водяной насос и электрогенератор. Одновременно с подачей сжатого воздуха в камеры 4 и 5 подается природный газ в камеру 3 и с задержкой на сотые доли секунды включаются в работу электросвечи 9, которые воспламеняют топливную смесь, образовавшуюся в камере 1. Через 1-2 с камера 1 поднимает давление выхлопных газов в двух цилиндрах 16, с которыми она соединена каналом 14 вкладыша 13, до такой величины, что поршни 27 включатся в рабочий такт и коленчатые валы начнут вращаться, синхронно с ними начнет вращаться вкладыш 13, переключая продукты сгорания из камеры 1 в соответствующие газоводы 15 и цилиндры 16. С момента пуска камеры 1 крутящий момент на коленчатом валу будет плавно нарастать до тех пор, пока он не наберет полные обороты холостого хода. За время в 2-3 с пуска камеры 1 происходит разогрев термоинерционной оболочки 23, поршней 27 и стенок цилиндров 16, после чего режим "пуска" заменяется компьютером на "эксплуатационный режим", по которому в камеру 1 и цилиндры 16 через форсунки 10 вводятся регулярные впрыски воды под давлением, создаваемым водяным насосом. При этом в камеру 1 впрыскивается вода после воспламенения топливной смеси в количества, снижающем температуру термоинерционной оболочки 23 до 300-500^оС, а в цилиндры 16 после прекращения подачи в них продуктов сгорания топлива из камеры 1 в объеме до снижения температуры поршней и газов до 200-250^оС.

Установка поршня в II цилиндра 16 производится в крайнем верхнем положении при начальном поступлении газов из камеры 1 через канал 14 вкладыша 13 (фиг. 5 "а"), когда почти весь газ из камеры 1 поступает в l-й цилиндр 16. В момент поворота вкладыша 13 на 45^о от первоначального (фиг. 5 "б") половина газов из камеры 1 будет поступать в l цилиндр и уже половина газов во II-й цилиндр, в котором колено (щеки) 29 коленчатого вала отклонится от вертикали тоже на 45^о. В момент горизонтального положения колена 29 (фиг,7) во II-й цилиндр 16 перестанет поступать газ из камеры 1 и через форсунку в цилиндр под поршнем 27 будет впрыснута вода, превращение которой в пар поддержит давление парогазовой смеси на поршень 27 и тем самым увеличит КПД двигателя за счет использования высокой температуры (500-600^оС) газов и снижения ее до температуры в 150-200^оС парогазовой смеси в момент открытия клапана 25 выхлопной трубы, когда поршень 27 займет крайнее нижнее положение.

Таким образом каждый из четырех поршней в установленной последовательности после горизонтального положения колена 29 коленчатого вала 18, на которое он работает, получает дополнительное давление за счет испарения порции воды, впрыснутой форсункой из камеры 21 на верхнюю поверхность поршня 27. В результате этого увеличивается не только КПД двигателя, но также уменьшается темпеpатуpа поршня 27 и цилиндра 16 до расчетных величин. Этим двум положительным качествам двигателя содействует также вода, нагнетаемая насосом в камеру 21, которая нагревается от смежных стенок цилиндра 16, охлаждая их. Нагретая до 150-200^оС вода от стенок камеры 21, общих с цилиндрами, потребует для своего превращения в пар затраты значительно меньшей тепловой энергии, чем если бы она была менее горячей.

Открытие клапана 25 выхлопной трубы 24 производится электрическим устройством за тысячную долю секунды до того, как поршень займет нижнюю мертвую точку с целью уменьшить давление под ним в момент его подъема до верхней мертвой точки, когда клапан 25 выхлопной трубы закрывается и в цилиндр 16 начинают поступать продукты сгорания топлива из камеры 1. Клапан 25 имеет большую поверхность пластины между стенкой трубы с упором 34 и осью 26, чем между этой осью и стенкой трубы с упором 35. В результате такого устройства пластина клапана 25 тем плотнее перекроет трубу 24, чем выше давление газов в цилиндре 16.

В двигателе ДК рабочим валом может быть как продолжение одного из двух коленчатых валов 18, так и средний вал, который может быть соединен с шестерной 33. Могут быть также при необходимости использованы для отбора мощности двигателя два или все три вышеупомянутые вала.

В установившемся режиме работа камеры сгорания 1 происходит в виде вынужденного колебательного процесса с периодом колебаний, близким периоду свободных колебаний. Темп колебаний задается компьютером частотой включения свечей зажигания, поджигающих топливную смесь, а также изменением давления природного газа путем изменения режима работы редуктора, через который проходит природный газ из баллона в камеру 3.

В установившемся режиме работы давление топливной смеси из природного газа и сжатого воздуха в момент ее воспламенения в камере 1 поднимается с 40-50 кг/см² до 300-400 кг/см². Выхлопные газы устремляются в газовод 15 и давление за тысячные доли секунды падает до 150-170 кг/см². В этот момент происходит впрыск воды из форсунки 10 на термоинерционный испаритель. Образовавшийся пар уменьшает скорость падения давления за счет увеличения объема смеси выхлопных газов и пара. Парогазовая струя из газовода 15 поступает в цилиндр 16, а в камере 1 давление падает до 30-40 кг/см².

При воспламенении топливной смеси в камере 1 небольшая часть газов проникает в трубки 6, вытесняя из них сжатый воздух и природный газ в камеры 3, 4 и 5. Однако в камеры 3, 4 и 5 продолжают поступать в силу инерции сжатый воздух и природный газ, в результате чего давление в камерах 3, 4 и 5 поднимается до 60 и более кг/см². Длина и диаметр трубок 6 выбирается такими, что до того как выхлопные газы дойдут по ним до камер 3, 4 и 5, давление в камере 1 понизится до 40 кг/см², повысится давление в камерах 3, 4 и 5 до 60 кг/см², вытеснит из трубок 6 выхлопные газы в камеру сгорания и заполнит ее топливной смесью, давление которой повысится до 50 кг/см², так как выхлопные газы с паром будут остановлены давлением газов в цилиндре 16. В этот момент по команде компьютера включаются электросвечи 9, поджигающие топливную смесь в камере 1, и начинается следующий цикл ее работы.

Изменение скорости (частоты) колебаний давления в камере 1 производится по команде компьютера путем изменения давления сжатого воздуха и природного газа, поступающего в камеры 3, 4 и 5 и изменения частоты включения электросвечей 9. При этом мощность двигателя может изменяться в пределах, достаточных для практического использования двигателя, например для транспортных машин.

Обладая существенно большей удельной мощностью, чем лучшие из известных бензиновых двигателей, двигатель ДК может найти эффективное применение не только в автомобильной, но и в авиационной технике. Больший КПД и большая удельная мощность двигателя ДК и использование в качестве топлива природного газа отвечает также весьма актуальной проблеме энергосбережения и металлосбережения, улучшения экологического и экономического положения в стране.

Ориентировочный расчет эффективности двигателя ДК производят исходя из того, что потери на охлаждение известных двигателей уменьшаются с 30 до 20% за счет замены наружного водяного охлаждения на внутреннее впрыском воды в камеру сгорания и в цилиндр, и с 30 до 20% за счет уменьшения температуры выхлопных газов, удаляемых из известного двигателя через выхлопную трубу с 500-1000 до 200^оС. В этом случае КПД двигателя поднимется с 30% для известных двигателей до 50% для двигателя ДК, т.е. в 50:30 1,7 раза.

Примем также, что объем камеры сгорания ДК равен объему камеры сгорания известных двигателей, а частота воспламенения топлива будет больше чем в известном двигателе в 20 раз. При этом скорость вращения коленчатого вала уменьшится в 2 раза. Тогда мощность двигателя увеличится в 5 раз. Примем также, что за счет увеличения литража цилиндров в 2 раза, масса двигателя увеличится также в 2 раза. Тогда удельная мощность двигателя увеличится в 2,5 раза, а стоимость его изготовления по сравнению со стоимостью изготовления известного двигателя равной мощности уменьшится в 1,5-2 раза (т.е. в 1,75 раза).

За счет уменьшения скорости вращения коленчатого вала и скорости движения поршней в 2 раза увеличится длительность эксплуатации в 2 раза. Так как уменьшение срока окупаемости капитальных затрат пропорционально произведению увеличения КПД на уменьшение стоимости двигателя и на увеличение срока эксплуатации двигателя, то срок окупаемости двигателя ДК будет меньше срока окупаемости известных двигателей в 1,7·1,75·2 6 раз.

Этот ориентировочный расчет произведен без учета того, что стоимость природного газа в несколько раз меньше стоимости бензина, необходимого для работы известных двигателей, что двигатель ДК имеет более простое устройство, быстрее и проще заводится на морозе и по этой причине меньше работает на холостом ходу и не требует теплого гаража.

Однако в ряде случаев не менее существенным преимуществом двигателя ДК перед двигателями, работающими на бензине, является в 5-10 раз меньшее выделение в атмосферу отравляющих веществ на 1 кВт мощности двигателя и то, что добыча, переработка нефти в бензин и его перевозка в несколько раз наносит больший экологический ущерб природе (и человеку) чем добыча, переработка и транспортировка природного газа.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания, предназначенным для любых видов транспорта и для стационарных устройств, использующих механическую энергию вращения вала. Сущность изобретения: двигатель имеет камеру 1 сгорания, работающую в своем оптимальном режиме, независимом от скорости работы вращения коленчатого вала 18, при этом одна камера сгорания сферической формы обеспечивает работу четырех поршней 27 с двумя коленчатыми валами. В качестве топлива двигатель использует природный газ для хранения которого применен баллон из стеклополотна, в котором природный газ находится под давлением до 200 кг/см². Вместе с природным газом в камеру сгорания поступает сжатый воздух от компрессора. Камера 1 сгорания имеет сферическую форму и расположена в центре оголовника с кольцевыми камерами для сжатого воздуха 4 и природного газа 3, окруженную термоизолирующим пространством, использующим ее тепло для подогрева воздуха и природного газа. Камера 1 сгорания соединена с камерами 3, 4 радиальными трубками 6. При этом камера сгорания имеет термоинерционную оболочку, а между ней и корпусом оголовника проложен термоизоляционный слой. В верхней части камеры сгорания установлена форсунка 10 для впрыскивания воды в камеру сгорания, а между отверстиями подачи в камеру сгорания воздуха и сжатого газа установлены электросвечи 9. Коленчатые валы 18 в блоке цилиндров установлены параллельно друг другу и имеют колена, установленные под прямым углом друг к другу, а против колен установлены противовесы 30. Четыре цилиндра 16 блока цилиндров соединены с камерой сгорания четырьмя газоводами 15, включаемыми поочередно цилиндрическим вкладышем 13, вращаемым шаговым электродвигателем синхронно с коленчатыми валами 18. 3 з. п. ф-лы, 7 ил.

1. Двигатель, содержащий блок цилиндров с поршнями, коленчатыми валами и трубами для выхлопных газов, термоизолированную камеру сгорания, расположенную над блоком цилиндров, имеющую электросвечи, каналы для сжатого воздуха и топлива и соединенную с блоком цилиндров с помощью газоводов, смеситель смазки и управления и стартер, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стационарный компрессор для подачи сжатого воздуха в камеру сгорания, имеющую сферическую форму, блок цилиндров выполнен из четырех цилиндров с двумя коленчатыми валами, соединенными между собой шестернями, а между камерой сгорания и газоводами установлен вкладыш с каналом, соединяющим последовательно камеру сгорания с газоводами. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания снабжена термоинерционной оболочки и кольцевыми камерами для сжатого воздуха и топлива, соединенными с полостью камеры сгорания радиальными трубками, между которыми установлены электросвечи, а в верхней части камеры сгорания установлена форсунка для впрыска воды. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что коленчатые валы в блоке цилиндров установлены параллельно друг другу и имеют колена, расположенные между собой под прямым углом, а против колен установлены противовесы. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен тяговым электродвигателем для синхронного вращения вкладыша и коленчатых валов.