СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания.

Цель изобретения повышение КПД двигателя достигается созданием центральных и периферических силовых цилиндров, взаимодействующих между собой и с газовой турбиной на рабочем ходу и на выпуске, а также взаимодействием силовых поршней с гидропреобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания (Изобретатель и рационализатор, 1990, N 5, с. 44). Этот способ работы основан на двухтактном цикле с преобразованием поступательного движения во вращательное с работой силовых цилиндров в одинаковой последовательности, но в противофазе, подаче газов на турбину при выпуске.

Способ не позволяет наилучшим образом использовать энергию газов после сгорания и осуществлять оптимальное тепломеханическое преобразование в двигателе.

Известен двигатель внутреннего сгорания двигатель Штельцера - (Изобретатель и рационализатор, 1990, N 5, с. 44), содержащий поршневой блок, состоящий из трех поршней двух рабочих на концах блока и компрессионного в средней его части, соединенной с карбюратором или атмосферой. Впускные каналы выполнены на валу между поршнями в виде проточек, и выпускные в цилиндрическом корпусе.

Устройство не позволяет наилучшим образом использовать энергию газов, образующихся при сгорании.

На фиг. 1 показан продольный разрез устройства; на фиг. 2 продольный разрез части корпуса и блок-схема внешних устройств, соединенных с двигателем и между собой; на фиг. 3 продольный разрез устройства и системы смазки, топливоподачи и зажигания.

Устройство (фиг. 1) состоит из корпуса 1, поршневого блока, состоящего из трех поршней: компрессионного 2 в средней части и рабочих на его концах, причем, каждый рабочий состоит из центральных 3, 4 и периферических частей 5, 6. Впускные каналы 7, 8 для каждого из силовых цилиндров выполнены на центральном валу, соединенном с компрессионным поршнем.

Каждый силовой цилиндр состоит из центрального рабочего объема 9, 10 и периферических рабочих объемов 11, 12. Объемы разделены концентрическими кольцами 13, 14, входящими в концентрические полости 15, 16 в рабочих поршнях. В концентрических кольцах 13, 14 выполнены в конце у НМГ выпускные отверстия 17, 18 для центральных рабочих объемов, а общие выпускные каналы 19, 20 выполнены в корпусе 1 и соединены между собой каналами 21 в корпусе.

В кольцах 13, 14 выполнены в верхней их части впускные отверстия 22, 23 для подачи топливно-воздушной смеси или воздуха из центральных рабочих объемов в периферические и каналы 24, 25, в кольцах и торцевых стенках в ВМТ соединяющие рабочие объемы при поджиге рабочей смеси.

В концентрические кольца 13, 14 входят стержни 26, 27, соединенные с компрессионным поршнем 2 в рабочей полости 28 компрессионного цилиндра.

В стержнях в их конце у нижней мертвой точки выполнены отверстия 29, 30, которые служат для выпуска газов из центрального объема, впуска топливно-воздушной смеси из центрального объема в периферический и для соединения камер сгорания: центральной и периферической.

Концентрические кольца 13, 14 выполнены заодно с крышками 31, 32, установленными неподвижно в корпусе.

Выпускные каналы 19, 20 корпуса соединены каналами 33 с направляющим аппаратом 34, многоступенчатой турбины 35, установленной на корпусе.

Входной поршень соединен с гидропреобразователем 36 возвратно-поступательного движения во вращательное, работающего по двухтактному циклу или непрерывному циклу.

В корпусе выполнены каналы пароперегревателя 37, соединенные радиальными щелями с каналами 21 для отвода газов и последовательно с каналами водонагревателя 38, соединенный радиальными щелями с каналами 21 и соединенного с насосом 39. Каналы водонагревателя (фиг.2) взаимодействуют с каналами 40 в корпусе, соединяющими выход турбины трубой 41 с дополнительным силовым цилиндром 42. Трубопровод 41 соединен с конденсатором 43 первой частью его, который в свою очередь через блок 44 водоочистки с водяным насосом. Емкость 45 для воды соединена с блоком водоочистки, а водяной насос на входе с каналами паронагревателя. Выход дополнительного силового цилиндра соединен с конденсатором второй частью от первой.

Устройство (фиг.3) содержит маслопроводы 46, 47, соединенные с аксиальными отверстиями 48, 49 в концентрических кольцах 13, 14 с поверхностями цилиндров и поршней, а через каналы 50, 51 и 52, 53 со сливом.

Полость 28 компрессионного цилиндра соединена через отверстие 54 с карбюратором, а камера сгорания крайних цилиндров взаимодействуют со свечами зажигания 55, 56.

Способ осуществляется следующим образом (фиг 1). Поршни 3, 5 и 4, 6 движутся как одно целое, каждый в своем цилиндре 9, 11 и 10, 12. Когда поршни 3, 5 подходят к НМТ, то поршни 4, 6 подходят к ВМТ и наоборот. Смесь поступает через отверстие 54 (фиг. 2) в компрессионный цилиндр. При движении (фиг. 1) поршней 3, 5 к НМТ на рабочем ходу под действием сил давления расширяющихся пазов сначала открываются на рабочем ходу выпускные каналы 19 и на рабочем же ходу части рабочего хода газы поступают в радиальные каналы 33 и направляющий аппарат 34 и лопатки 35 многоступенчатой турбины.

В конце рабочего хода у НМТ совмещаются выпускные каналы 17 в неподвижном концентрическом кольце 13 и каналы 29 в стержне 26.

При совмещении каналов 17 и 29 при движении к НМТ и к ВМТ происходит выпуск газов на турбину 35 из центрального рабочего объема в конце рабочего хода под действием топливно-воздушной смеси, которая подается компрессионным поршнем 2 через выпускной канал 7 при движении рабочего поршня к НМТ.

Продувке центрального и периферического рабочих объемов 9 и 11 в большой степени способствует дополнительный силовой цилиндр 42, соединенный с турбиной трубопроводом 41 и канал 40 в корпусе, который создает разрежение в основных силовых цилиндрах на части рабочего хода.

Насос может быть выполнен аналогично компрессионному блоку двигателя со входом в середине и двумя выходами у торцов. Вытягивая газы из камер 9, 11 через турбинный блок одного силового цилиндра, дополнительный силовой цилиндр 42 одновременно выталкивает отработанные газы другого силового цилиндра через конденсатор, поскольку рабочее тело содержит и перегретый пар, который поступает в поток на пути в турбину.

Турбоузел работает с высоким КПД по ряду причин. Цилиндр 42 является утилизационным устройством, сильно снижает скорость газов на многоступенчатой турбине и заставляет срабатывать на ее ступенях значительно больший теплоперепад, а следовательно, повышает КПД преобразования. Цилиндр 42, работая как вакуум-насос заставляет отдавать большую часть тепла на части цикла для нагрева воды и превращения ее в пар и перегрева пара в каналах 38 и 37 соответственно. При этом вода проходит от насоса 39 по каналам 38 сначала (фиг. 2) образование пара, а затем по каналам 37 (перегрев пара), соединенными с каналами 38 на входе. На выходе каналы 37 через радиальные щели в корпусе соединены с каналами 19 и 21 отвода рабочих газов. Через щели каналов 37 и 38 вода подается под углом к высокотемпературным газам. В каналах 19 и 12 пар дополнительно перегревается. Происходит пленочное испарение воды. Корпус 1 играет роль теплообменника. С одной стороны вода превращается в перегретый пар в струе газа, с другой стороны корпус 1 не перегревается, ибо отдает тепло (пленочное испарение в трубопроводах 19, 21).

Корпус 1 также, являясь теплообменником, представляет собой часть утилизационного устройства и выполнен может быть из металла или другого матеpиала с соответствующими характеристиками.

С частотой ходов поршней КПД утилизационных блоков будет возрастать, а также будет возрастать частота вращения турбины и ее мощностная рабочая характеристика.

Частота вращения турбины будет зависеть и от производительности (регулирования) водяного насоса 39. Турбина 35 не нуждается в термостойких материалах. Двигатель тоже. Максимальный КПД турбины будет достигнут при определенном соотношении частоты ходов поршней, объема силового цилиндра 42 и объемов газа и пара в газопаровой смеси и будет НОУ-ХАУ для каждого типа двигателя. КПД комбинированного двигателя в целом будет выше КПД только двигателя вследствие расширения газо-паровой смеси до больших объемов, эффективной утилизации.

При малых частотах ходов поршня силовой цилиндр 42 захватывает большую часть газопроводной смеси от турбины, меньшая ее часть уходит в конденсатор на входе.

При больших частотах ходов поршня часть газопаровой смеси уходит во входную часть конденсатора, минуя силовой цилиндр 42.

Целесообразно выбрать число ступеней турбины и объем дополнительного цилиндра 42 такими, чтобы происходило полное расширение пара, а газ расширялся бы до разреженного состояния. При этом возможен наибольший КПД при минимальной затрате топлива. Однозначно можно сказать, что объем силового цилиндра 42 больше и намного объема рабочих объемов силовых цилиндров.

Двигатель на базе двигателя Штельцера не имеет шатунов, поршневых втулок, в нем минимальный нагрев от трения при отсутствии боковых усилий. Поэтому при использовании корпуса 1 в качестве теплообменника охлаждение можно осуществлять маслом по схеме (фиг. 3), когда масло подводится по трубопроводам 46, 47, каналам 48, 49 к трущимся частям, а отвод осуществляется через каналы 50, 51, 52, 53.

При движении поршней 3, 5 к ВМТ отверстия 17 перекрываются. Происходит сжатие в центральном рабочем объеме 9 рабочей смеси. Когда совпадают отвеpствия 22 и 29 в стержне 26, то одновременно замыкается периферический рабочий объем 11 и в него поступает через совпадающие отверстия 22 и 29 топливно-воздушная смесь из рабочего объема 9. В ВМТ происходит окончательное сжатие смеси, в обеих камерах сгорания, через свечу 48 подается искра. В дизельном варианте осуществляется воспламенение от сжатия.

Воспламеняется топливно-воздушная смесь в периферическом объеме и через канал 24 и канал 29 стержня 26 в ВМТ воспламеняется топливно-воздушная смесь в центральном рабочем объеме. Может быть осуществлено воспламенение и в центральном объеме.

В это время в противоположном силовом цилиндре происходит рабочий ход с процессами, аналогично описанным выше.

Только выход парогазовой смеси осуществляется через выпускные каналы 20, каналы 21, 19 и далее через турбину 34, 35 и через вакуум-насос 42 и конденсатор 43.

Момент создается во время всего цикла при условии, что выпускные каналы 19 и 20 равны сумме длины рабочего хода поршня, либо цикла и при этом турбина (лопасти) не перегреваются, ибо в высокотемпературные газы впрыскивается вода и перегретый пар, который снижают температуру газов, подаваемых на турбину и увеличивают количество рабочего тела. В той части цикла, когда на турбину подается минимальное количество выходных газов при давлении основных силовых поршней к ВМТ), непрерывно подается вода от водяного насоса 39 в паронагреватель 38.

Таким образом на турбину в течение цикла подается высокотемпературная газопаровая смесь, нашпигованная включениями из пара более низкой температуры. Вместе с тем можно говорить о том, что турбина будет работать в оптимальном температурном режиме и в оптимальном режиме тепломеханического преобразования, ибо на турбину будет поступать смесь с усредненными параметрами.

Размеры выпускных каналов 19, 20, а также выпускных окон 17, 18 и отверстий 22, 23 размеры выпускных каналов 7 и 8 могут быть выполнены так, что на большей части цикла выпускные высокотемпературные газы будут поступать на турбину. Это будет способствовать созданию газопаровой смеси для оптимального тепломеханического преобразования.

Расход энергии на прокачивание воды минимальны, а подвод дополнительного количества рабочего тела пара будет значительным при высокой частоте ходов рабочих поршней, что возможно в двигателе Штельцера, взятого за прототип.

Двигатель может работать и без воды, в этом случае на турбине будет преобразовываться только энергия выпускных газов.

Шток поршня основного силового цилиндра взаимодействует с гидропреобразователем 36.

При этом преобразователь может быть либо двухтактной турбиной, либо турбиной непрерывного действия, работающей в двухтактном режиме.

В итоге тепловая энергия газов оптимальным образом преобразовывается в механическую, ибо создаются одновременно два момента на газовой и гидравлической турбине, которые могут суммироваться на выходе.

Использование: машиностроение, в частности двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: способ работы основанный на двухтактном цикле с преобразованием поступательного движения во вращательное с работой цилиндров в противофазе, подачей газов на турбину при пуске, на рабочем ходу отбирают часть газов из силовых цилиндров и подают на турбину, при этом отбор газов осуществляют последовательно с опережением от периферии рабочего объеме к центру, на выпуске газа отбирают одновременно от периферии рабочего объема и центральной части, а впуск воздуха или топливно-воздушной смеси осуществляют в центральную часть рабочего объема, затем при сжатии воздух или топливно-воздушная смесь передают в периферийную часть рабочего объема. Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндрический корпус, поршневой блок, состоящий из двух рабочих поршней на концах блока и компрессионного в его средней части, соединенный с карбюратором или атмосферой, впускные каналы, выполненные на валу между компрессионным и рабочим поршнем в виде проточек меньшего диаметра, выпускные отверстия, выполненные в корпусе, системы топливо - подачи, газораспределения, смазки, он снабжен турбинным блоком, установленным в корпусе, в котором выполнено отверстие для подвода газов от рабочих цилиндров, каждый из рабочих поршней выполнен в виде центральной и периферической части, а каждый силовой цилиндр состоит из кольца выполненного заодно с торцевой стенкой, установленной в корпусе, в нижней кольцевой части цилиндра выполнены выпускные отверстия, а верхнее части выполнены отверстия для впуска топливо-воздушной смеси или воздуха в периферический рабочий объем. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, основанный на двухтактном цикле с преобразованием поступательного движения во вращательное с работой силовых цилиндров в одинаковой последовательности, но в противофазе, подаче газов на турбину при выпуске, отличающийся тем, что на рабочем ходу отбирают часть газов из силовых цилиндров и подают на турбину, при этом отбор газов осуществляют последовательно с опережением от периферии рабочего объема к центру, на выпуске газы отбирают одновременно от периферии рабочего объема и центральной части его, а впуск воздуха или топливно-воздушной смеси осуществляют в центральную часть рабочего объема, затем при сжатии воздух или топливно-воздушную смесь передают в периферийную часть рабочего объема. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что газы после турбины подаются в дополнительный силовой цилиндр с объемом, большим рабочего объема цилиндров, с продолжением процесса расширения и создают разрежение в каждом силовом цилиндре. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что к отводимым на турбину газам подают воду или пар под углом к газовому потоку. 4. Способ по пп.1 3, отличающийся тем, что из дополнительного силового цилиндра парогазовую смесь подают в конденсатор, разделяют на газ, который сбрасывают в атмосферу, и пар, который конденсируют и возвращают в газовый поток. 5. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндрический корпус, поршневой блок, состоящий из трех поршней двух рабочих на концах блока и компрессионного в его средней части, соединенной с карбюратором или атмосферой, впускные каналы, выполненные на валу между компрессионным и рабочим поршнями в виде проточек меньшего диаметра, выпускные отверстия, выполненные в корпусе, системы топливоподачи, газораспределения, смазки, отличающийся тем, что он снабжен турбинным блоком, установленным на корпусе, в котором выполнены отверстия для подвода газов от рабочих цилиндров, при этом каждый из рабочих поршней выполнен в виде центральной и периферической кольцевой частей, а каждый силовой цилиндр состоит из кольца, выполненного заодно с торцевой стенкой, установленной в корпусе, внутренняя поверхность которого образует с торцом центральной части поршня и валом центральный рабочий объем, наружная поверхность кольца образует с торцом периферической кольцевой части и корпусом двигателя периферический рабочий объем, при этом в нижней кольцевой части цилиндра выполнены выпускные отверстия, соединяющие центральный и периферические рабочие объемы, а в его верхней части выполнены отверстия для впуска топливно-воздушной смеси или воздуха в периферический рабочий объем, в торцевой стенке и в кольце у верхней мертвой точки выполнены отверстия, соединяющие оба рабочих объема при воспламенении рабочей смеси, в кольцах выполнены аксиальные каналы для стержней, соединенных с компрессионным поршнем, а в стержнях у нижней мертвой точки выполнены отверстия, поочередно взаимодействующие с отверстиями кольца силового цилиндра при движении к верхней мертвой точке, при этом периферические рабочие объемы сообщены с выпускными каналами в корпусе, соединенными между собой и с турбиной через отверстия в корпусе, а двигатель снабжен преобразователем с гидротурбиной. 6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным силовым цилиндром с поршнем, соединенным с блоком силовых поршней и с выходом турбины через каналы в корпусе. 7. Двигатель по пп.5 и 6, отличающийся тем, что он снабжен водяным насосом, емкостью для воды, конденсатором, блоком водоочистки, паронагревателем и пароперегревателем, соединенными между собой и выполненными в виде каналов в корпусе, причем аксиальные каналы пароперегревателя и паронагревателя соединены через щели в корпусе с каналами для отвода газов, а каналы паронагревателя соединены с водяным насосом, дополнительный силовой цилиндр соединен с конденсатором, который соединен выходом турбины и через блок водоочистки с насосом, при этом емкость с водой соединена с блоком водоочистки.