ПОРШНЕВОЙ ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЕМИДЧЕНКО - ПОПОВА Российский патент 1996 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателей внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения.

Известен экономичный лодочный гидрореактивный двигатель, в котором вода заменяет поршень с шатуном и коленчатым валом, позволяющий "напрямую преобразовать тепловую энергию продуктов сгорания в кинетическую энергию реактивной струи, создающей тягу". Двигатель является экологически чистым из-за отсутствия смазочных масел в продуктах сгорания и более полного окисления горючих компонентов топлива.

Недостатком этого двигателя является то, что он не может быть использован на транспорте, кроме лодочного, и в качестве стационарного двигателя внутреннего сгорания, так как будучи гидрореактивным, он конструктивно оформлен для случая прямоточного движения воды.

Известные двухтактные поршневые двигатели внутреннего сгорания включают цилиндр, газовые клапаны, камеру сгорания, поршень, совершающий выпуск продуктов сгорания и впуск воздуха за два неполных противоположных по направлению хода, форсунку.

Недостатками такого двигателя являются отсутствие качественной продувки камеры сгорания и то, что процессы выпуска продуктов сгорания и впуска воздуха приходятся на два противоположных по направлению неполных хода, а следовательно, занимают значительную часть времени, затраченного на цикл, а также значительная металлоемкость, механическая необратимость, использование масел, загрязняющих продукты сгорания.

Известен современный транспортный двигатель внутреннего сгорания с гидравлической передачей, включающий блок цилиндров, в которых размещены поршни, разделяющие объемы цилиндров на камеры сгорания и гидравлические подпоршневые полости, сообщаемые между собой кольцевой магистралью, органы газораспределения и топливоподачи, подключенные к блоку управления. Характерно противоречие между тепловым двигателем и трансмиссией, выражающееся в том, что неравномерность работы трансмиссии прямым образом отражается на экономике двигателя. Экономичному двигателю необходимо работать в оптимально-стационарном режиме, но трансмиссии известных типов не могут его обеспечить. Поэтому любая нестабильность в эксплуатации транспортного двигателя резко (в 1,5 раза) снижает его КПД.

Известные транспортные двигатели объемного сжатия и расширения обладают недостатками, заключающимися в том, что режим работы двигателя внутреннего сгорания является дискретным, так как полностью определяется режимом движения транспортного средства; поршневые двигатели внутреннего сгорания работают с изохорным отводом теплоты; поршни, разделяющие полости цилиндров, обеспечивают герметичность каждого из них, что связано с механической необратимостью и необходимостью использования масел в целях смазки и охлаждения, а следовательно, имеют низкий эффективный КПД и неэкологичны.

Технический результат уменьшение металлоемкости, улучшение качества продувки камеры сгорания и организации рабочего цикла в двигателе.

Технический результат достигается тем, что цилиндры двигателя, сообщающиеся через магистрали высокого и низкого давления, разделены по оси на две равные полости посредством плоской жесткой перегородки протяженностью около 2/3 высоты цилиндра сплошной в верхней части и перфорированной в остальной нижней части, укрепленной в головке цилиндра по образующей плоскости перегородки, а в днище цилиндра фиксацией периферийных опорных стоек, а поршень представляет собой рабочую жидкость с плоским поплавком на ее поверхности, выполненным пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости с перфорацией верхнего листа и прорезью по диаметру, и снабжены тремя датчиками уровней жидкости в совокупности с тремя исполнительными органами, управляющими работой двух газовых и двух жидкостных клапанов и двух форсунок, при этом работа двигателя организована по двухтактному циклу.

На фиг. 1 приведена схема двухтактного поршневого двигателя внутреннего сгорания; на фиг. 2 продольный разрез по оси цилиндра двигателя с жесткой перегородкой, вид сбоку, и горизонтальный разрез цилиндра выше поплавка.

Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с эластичным поршнем состоит из цилиндра 1 (фиг. 1 и 2), разделенного на две равные полости 2 и 3 расположенной по оси цилиндра плоской жесткой перегородкой 4, протяженностью около 2/3 высоты цилиндра, сплошной в верхней части и протяженностью около 1/4 высоты цилиндра, и перфорированной в остальной нижней части, укрепленной в головке 5 цилиндра по образующей плоскости перегородкой 4, а в днище 6 цилиндра фиксацией периферийных опорных стоек 7 перегородки 4 с камерой сгорания 8, впускным 9 и выпускным 10 клапанами соответственно для впуска в камеру сгорания с целью продувки ее воздухом с избыточным давлением не более 0,15 МПа от воздушного продувочного компрессора 11 и выпуска продуктов сгорания с продувочным воздухом в атмосферу, впускным 12 и выпускным 13 жидкостными клапанами, жестко соединенными штоком 14 соответственно для впуска рабочей жидкости в цилиндр 1 из магистрали 15 низкого давления и выпуска рабочей жидкости из цилиндра 1 двигателя в магистраль 16 высокого давления, форсунками 17 и 18, размещенными на головке 5 цилиндра соответственно в левой и правой полостях 2 и 3 камеры сгорания 8, через которые вводится в камеру сгорания топливо, датчиками, например, емкостного типа, верхнего 19, промежуточного 20 и нижнего 21 уровней жидкости для дачи информации о трех реперных уровнях жидкости в цилиндре 1 двигателя и передачи этой информации исполнительным органам 22, 23 и 24, например, соленоидного типа, управляющим перемещением газовых и жидкостных клапанов соответственно 9, 10 и 12, 13.

Функции эластичного поршня в цилиндре 1 двигателя выполняет рабочая жидкость, на поверхности которой для сглаживания пульсации и уменьшения эффекта парообразования находится плоский, круглый с прорезью по диаметру для перемещения по вертикали вдоль перегородки 4 и ее опорных стоек 7 как направляющих, поплавок 25 возможно с уплотнением, выполненный в случае отсутствия уплотнения, например, из двух металлических листов, верхний из которых перфорирован в 4-10-ти точках, соединенных большим числом, ребер жесткости со свободным пространством, заполненным газом, и общей плотностью, меньшей плотности рабочей жидкости.

Двухтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания с эластичным поршнем работает следующим образом.

Рабочая жидкость из магистрали 15 низкого давления через впускной жидкостной клапан 12 поступает в цилиндр 1 (фиг. 1 и 2), разделенный, начиная ориентировочно с 1/3 высоты цилиндра от его днища 6, перегородкой 4 на две полуцилиндрические полости 2 и 3, и затем в полости 2 и 3. Скорость наполнения цилиндра 1 и полостей 2 и 3 рабочей жидкостью, определяющая скорость подъема эластичного поршня, а следовательно, и частоту процессов горения топлива в камере сгорания 8 двигателя можно регулировать. По мере заполнения цилиндра 1 и полостей 2 и 3 рабочая жидкость, например, с плоским, круглым, с прорезью по диаметру для перемещения по вертикали вдоль перегородки 4 и ее опорных стоек 7, как направляющих, поплавок 25 возможно с уплотнением, выполненный в случае отсутствия уплотнения, например, из двух металлических листов, верхний из которых перфорирован в 4-10-ти точках, соединенных большим числом ребер жесткости, со свободным пространством, заполненным газом, и общей плотностью меньшей плотности рабочей жидкости, как поршень перемещается вверх от низшей мертвой точки, на уровне которой находится датчик 21 нижнего уровня жидкости, и выталкивает от предыдущего рабочего хода продукты сгорания следующим образом. С открытием жидкостного клапана 12 через исполнительный орган 22 синхронно открываются впускной воздушный клапан 9 и выпускной газовый клапан 10. Сжатый воздух подается через клапан 9 в камеру сгорания 8 и, обтекая перегородку 4, вытесняет продукты сгорания через клапан 10 в атмосферу процесс выпуска продуктов сгорания и впуска воздуха. Движение воздуха из полости 2 цилиндра 1 в полость 3 происходит по траектории наименьшего сопротивления, т.е. на петле петлевая продувка камеры сгорания. Петлевая продувка продолжается и при заполнении цилиндра 1 рабочей жидкостью на 1/3 высоты цилиндра от его днища. Но начиная с этого уровня и при дальнейшем подъеме рабочей жидкости, продувка происходит через перфорирующие перегородку отверстия (фиг. 2). По достижении рабочей жидкостью уровня, на котором установлен датчик 20 промежуточного уровня, от контакта последнего с рабочей жидкостью он срабатывает и через исполнительный орган 23 закроются воздушный 9 и газовый 10 клапаны. Продувка окончена.

При дальнейшем заполнении цилиндра 1 двигателя рабочая жидкость с поплавком 25, как поршень перемещается вверх, сжимая воздух до уровня, отмеченного датчиком 19 верхнего уровня, при котором температура сжатого воздуха достигает значения, превышающего температуру самовоспламенения топлива процесс политропного сжатия рабочего тела. В момент контакта рабочей жидкости с датчиком 19 верхнего уровня жидкости последний срабатывает и через исполнительный орган 24 приводит в действие топливный насос и одновременно с помощью исполнительного органа 22 перебрасываются клапаны 12 и 13, жестко связанные штоком 14 так, что клапан 12 оказывается закрытым, а клапан 13 открытым. Топливо подается через общий трубопровод к форсункам 17 и 18 и в камеру сгорания 8, в которой топливо самовоспламеняется и сгорает при постоянном давлении рабочего тела процесс изобарного подвода теплоты к рабочему телу или, что то же самое, процесс предварительного расширения рабочего тела. При горении топлива эластичный поршень под давлением продуктов сгорания начинает опускаться и рабочая жидкость выходит через клапан 13 в магистраль 16 высокого давления.

По окончании изобарного горения начинается процесс политропного, близкого к адиабатному, расширения продуктов сгорания. Датчики 19 и 20 соответственно верхнего и промежуточного уровней жидкости не реагируют при опускании рабочей жидкости в цилиндре 1. Рабочее тело продукты сгорания продолжают выталкивать эластичный поршень из цилиндра 1 и рабочая жидкость с поплавком устремляется по-прежнему вниз рабочий ход двигателя, через клапан 13 в магистраль 16 высокого давления. Опускание эластичного поршня происходит до момента, при котором давление продуктов сгорания в камере 8 становится равным давлению окружающей среды. Этому расчетному моменту соответствует определенный уровень в нижней части цилиндра 1, на котором установлен датчик 21 нижнего уровня рабочей жидкости. При отсутствии контакта с рабочей жидкостью датчик 21 нижнего уровня жидкости срабатывает и импульс от него поступает на исполнительный орган 22, с помощью которого принудительно закрывается клапан 13 и синхронно открывается клапан 12, жестко связанный с клапаном 13 штоком 14. Таким образом, датчиком 21 нижнего уровня жидкости задается минимальный уровень рабочей жидкости в цилиндре 1. Кроме того, этот уровень рабочей жидкости соответствует минимальному давлению продуктов сгорания в процессе рабочего хода при политропном расширении рабочего тела в цилиндре 1, равного 0,1-0,12 МПа.

С перемещением системы 12-14-13 в положение: клапан 13 закрыт, а клапан 12 открыт рабочая жидкость из магистрали 15 низкого давления вновь поступает в цилиндр 1 двигателя. Начинается процесс выпуска продуктов сгорания и наполнения воздухом. Цикл замкнулся и далее процессы, происходящие в цилиндре 1, повторяются в той же последовательности.

Улучшение технико-экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания в сравнении с существующими дизельными двигателями обусловлено
чрезвычайно простой конструкцией;
уменьшением на порядок требований к точности изготовления деталей двигателя;
уменьшением на 10-15% доли теплоты, отдаваемой низкотемпературному источнику, за счет замены изохорного отвода теплоты на изобарный;
уменьшением необратимых механических потерь двигателя из-за отсутствия шатуна, коленчатого вала, системы уплотнения и смазки контактной пары поршень-цилиндр, системы глушения и других механизмов преобразования энергии;
сокращением выбросов вредных веществ благодаря тому, что двигатель в силовой установке эксплуатируется всегда в неизменном оптимальном режиме.

Использование: энергетические установки транспортного и стационарного назначения. Сущность изобретения: цилиндр двигателя внутреннего сгорания содержит газовую и гидравлическую полости и разделен по оси на две равные части посредством плоской жесткой перегородки, перфорированной в своей нижней части, поплавковый поршень выполнен пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости. 2 ил.

Поршневой двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с газовой и гидравлической полостями, разделенными поплавковым поршнем, системы пуска, газораспределения и топливоподачи, блок управления с исполнительными органами и датчиками уровня жидкости, блок гидравлических клапанов, отличающийся тем, что цилиндр разделен по оси на две равные полости посредством плоской жесткой перегородки, закрепленной на опорных стойках и перфорированной в своей нижней части, поплавковый поршень выполнен пустотелым из металлических листов, подкрепленных ребрами жесткости, с перфорацией верхнего листа и прорезью по диаметру, а блок гидравлических клапанов выполнен в виде двух жестко соединенных между собой клапанов с приводом от блока управления.