ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B27/00 

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

Известны двухтактные и четырехтактные двигатели внутреннего сгорания, например, приведенные в книге В.А.Ваншедта "Судовые ДВС", Судостроение. Л. 1977 г. стр. 10 15 и 363 381, у которых рабочий цикл осуществляется полностью в цилиндре за два и четыре такта (один + два оборота коленвала). При их совершенствовании есть трудности в формировании по удельной мощности за счет увеличения частоты циклов, из-за увеличения нагрузок от сил инерции и длительности процесса сгорания; одновременно увеличивается расход топлива.

В роторном двигателе [1] в котором рабочий цикл выполняется лопастями, двигающимися по окружности и друг относительно друга, возможна реализация частот вращения вала высокого уровня, однако мощность и экономичность ограничивается невозможность увеличить максимальное давление цикла более 10 - 15 кг/см² из-за утечек газа в уплотнениях и стыках.

Прототипом может служить двигатель, приведенный в [2]
Выпускные газы, выходящие из двухтактного двигателя внутреннего сгорания, своим давлением воздействуют на заслонку типа лопасти роторного двигателя, которая, вращаясь вокруг ось в цилиндрической камере, сжимает воздух для продувки цилиндра. Недостатком является то, что энергия выпускных газов используется только для наполнения цилиндра; не учета возможность получения дополнительной полезной работы.

Целью предлагаемого изобретения является увеличение удельной мощности и экономичности двигателя с применением высоких уровней частот рабочих циклов.

Поставленная цель достигается применением двухступенчатого сжатия воздуха и двухступенчатого расширения газа (смеси воздуха с продуктами сгорания) с применением устройств, обеспечивающих выполнение этих процессов.

На фиг. 1, 2 и 3 приведены варианты схем двигателя, способствующих выполнению поставленной цели.

двигатель состоит из поршневого расширителя (ПР) 1, охладителя (ОХ)-2, поршневого компрессора (ПК)-3, теплообменника (ТО)-4, работающего на выхлопных газах, камеры сгорания (КС)-5, роторного компрессора (РК)-6 и роторного расширителя (РР)-7.

По представленной на фиг. 1 схеме двигатель работает следующим образом. Свежий заряд воздуха сжимается в РК (6), осуществляющим первую ступень сжатия, до давления 7 -10 кг/см² и температуры 250 300^oC. Затем охлаждается до 20 50^oC в ОХ (2) и поступает в ПК (3), где сжимается со степенью сжатия E 4 5 до давления 40 70 кг/см² и вытесняется в ТО (4). В теплообменнике он нагревается до температуры выпускных газов /500 - 1000^oC), а затем поступает в КС (5), куда одновременно поступает топливо, с последующим сгоранием. После окончания процесса сгорания, газ поступает в ПР (1), расширяется от давления 40 70 кг/см² до давления 10 15 кг/см² и вытесняется в РР (7) для дальнейшего расширения и выпуска в атмосферу с передачей теплоты в ТО (4).

Суммарный объем ПР и РР может быть больше суммарного объема РК и ПК для возможности получения дополнительной мощности и экономии топлива за счет увеличения степени расширения газов.

Диаграмма рабочего цикла, в координатах давления (Р) и объема (V), приведена на фиг.4, где площадь 1 характеризует работу сжатия в первой степени компрессора РК с последующим уменьшением объема в ОХ, площадь 2 работа сжатия во второй степени компрессора ПК, Линия 3 характеризует увеличение объема зарядка воздуха в ТО и КС и наполнение ПР, площадь 4 работа газов в ПР и 5 в РР.

Во всех агрегатах выполняются двухтактные циклы. Так как сжатие и расширение воздуха и газа с большими уровнями давлений в поршневой части двигателя, по объему в E раз меньшим, чем в обычном цикле, то при неизменной частоте коленвала, объем цилиндров и геометрические размеры уменьшаются, естественно, в 4 5 и 1,6 1,7 раза. С учетом представляющейся возможности увеличить частоту циклов в 3 раза 12 15 и 2,3 2,5 раза а отсюда, соответственно, уменьшается объем и вес двигателя или, при тех же размерах, возможно существенное увеличение мощности. Объемы РК и РР входят в указанные габариты, частота их циклов равна 10 30 тыс. мин.

Применение предлагаемой схемы позволит улучшить экономичность работы двигателя за счет использования тепла выпускных газов в ТО и сгорания топлива в КС, где время, отводимое в процесс сгорания, возможно увеличить в несколько раз. Газ после КС, поступив в ПР, не имеет периода догорания на линии расширения при любой частоте циклов.

В итоге мы имеем 4 фактора уменьшающих затрат топлива на выполнение полезной работы: промежуточное охлаждение сжимаемого воздуха, использование тепла выпускных газов, отсутствие догорания топлива на линии расширения и увеличение объемов, участвующих в расширении в сравнении с объемами сжатия газов.

Применение двухступенчатого сжатия воздуха, помимо сжатия давления в роторном компрессоре, диктуется необходимость увеличения хода вытеснения его с меньшей степенью влияния вредного пространства промежуточным охлаждением воздуха, снижающим затраты энергии на осуществление цикла.

Возможна комплектовка двигателей без ТО, ОХ и КС. Тогда сжатие воздуха во второй ступени, сгорание и расширение в первой ступени выполняется в одном цилиндре, работающем в четырехтактном цикле: впуск, сжатие, сгорание-расширение и выпуск отработавших газов. Для неизменной мощности двигателя, по схеме фиг.1,количество цилиндров и их объем остается практически неизменными.

Схема, представленная на фиг. 2, отличается от схемы фиг. 1 тем, что расширение газа выполняется только в рабочем цилиндре ПР (1). Преимуществом двигателя, работающего по этой схеме, в сравнении с обычной, является то, что поставленная цель достигается увеличением частоты циклов от более качественного процесса сгорания и от замены четырехтактного режима работы ПР, двухтактным.

На фиг. 3 приведена упрощенная схема двигателя. Роль первой ступени сжатия воздуха выполняет ПР (1). Далее применено охлаждение в ОХ (2),сжатие во второй ступени компрессора ПК (3), выпуск, подогрев в ТО (4) и КС (5) и расширение газов в ПР (1) с последующей продувкой объема, по методам, применяемым в двухтактных двигателях, и выпуском отработавших в цикле газов в атмосферу через ТО (4).

По экономичности работы двигателя схемы фиг. 1 и 2 обеспечивают одинаковый расход топлива. Однако во втором случае для расширения газов требуется большой объем цилиндра. Схема, представленная на фиг. 3, значительно проще в использовании, в сравнении с первыми двумя, но в меньшей степени реализует предлагаемые мероприятия. Мощность снижается из-за наличия продувочных окон и невозможности реализовать продолженное расширение. Последнее приводит также к уменьшению эффекта снижения расхода топлива.

Во всех приведенных схемах применены поршневой компрессор второй ступени сжатия воздуха, который по диаметру практически в три раза меньше, чем диаметр поршневого расширителя или поршня двигателя, что ухудшает унификацию, осложняет размещенные клапанов и качество изготовления деталей. Есть три пути увеличения его диаметра:
уменьшения хода поршня;
включение в работу через несколько тактов ПР с холостым движение при закрытых клапанах;
включение в работу через несколько тактов ПР с выполнением работы по созданию избыточного наддува ПР, в промежутки времени свободные от компрессорного режима, или создания давления в любой магистрали технического воздуха.

Использование: в машиностроении, в частности в двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: работа одного цикла с высоким давлением сжатия воздуха и расширения газа выполняется в поршневой части двигателя в одном или двух цилиндрах, в том числе с применением двухтактного цикла с продувкой цилиндра, а с низким давлением - в роторном компрессоре и расширителе. Возможно применение схемы работы двигателя со сжатием воздуха в первой ступени и полное расширение газа в цилиндре, работающем по двухтактному циклу с продувкой или при двухступенчатом сжатии воздуха в роторном и поршневом компрессоре. После сгорания топлива газ расширяется полностью в одном цилиндре поршневой части двигателя. Изобретение обеспечивает: увеличение удельной мощности и экономичности двигателя с применением высоких уровней частот рабочих циклов. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры, поршень, механизм газораспределения и камеру сгорания, отличающийся тем, что работа цикла с высоким давлением сжатия воздуха и расширения газа выполняется в поршневой части двигателя, а с низким давлением, равным 10 25% от максимального давления цикла в роторном компрессоре и расширителе. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что высокое давление сжатия и расширения реализуется в одном или двух цилиндрах с разделением на сжатие и расширение. 3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что при двухступенчатом сжатии воздуха расширение газа выполняется полностью от максимального до минимального давления на выпуске в одном цилиндре. 4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что сжатие в первой ступени и полное расширение газа выполняется в одном цилиндре, работающему по двухтактному циклу с продувкой. 5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что после сжатия воздуха в первой ступени, общего процесса сжатия применено охлаждение его. 6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что после сжатия воздуха во второй ступени, общего процесса сжатия применен подогрев его в теплообменнике от выхлопных газов и в камере сгорания от теплоты сжигаемого топлива, расположенной до органов газораспределения двигателя. 7. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что суммарный объем, в котором газ расширяется, больше суммарного объема, в котором сжимается воздух, необходимый для осуществления процесса сгорания топлива. 8. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что для увеличения диаметра поршневого компрессора второй ступени вплоть до диаметра поршневого расширителя цикл сжатия выполняется через несколько циклов расширения газа в поршневом расширителе с работой в промежутках, с закрытым положением механизма газораспределения, для дополнительного наддува или продувки цилиндра при подаче воздуха в технологическую магистраль.