ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B47/02 F01P3/02 F01P7/14 F01P9/02 

Изобретение относится к области двигателестроения и касается двигателей как с внутренним смесеобразованием, так и с внешним смесеобразованием.

Известно, что в двигателе внутреннего сгорания только часть тепловой энергии, заключенной в топливе, превращается в полезную механическую работу. Остальная, большая часть, уходит в окружающую среду.

Отсюда и очень низкий коэффициент полезного действия (КПД), меньше 0,5.

Причина этого отсутствие надлежащей теплозащиты и исключение значительной части тепла из рабочего процесса.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков и дальнейшее повышение экономичности двигателя внутреннего сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем по крайней мере два цилиндра с 4-тактным циклом работы и один расширительный цилиндр большего диаметра, расположенный между ними в одной плоскости, образующие модуль, причем в крайних цилиндрах установлены форсунки для впрыска воды, а огневые поверхности всех трех рабочих камер покрыты жаростойким теплоизолирующим материалом, система охлаждения выполнена в виде прямоточной магистрали, в начале которой установлен подкачивающий насос, подающий специально подготовленную воду из расходного бака под давлением не ниже 15 кгс/см² в охлаждающие каналы двигателя, а в конце магистрали - впрыскивающий насос для подачи перегретой воды в цилиндры в конце такта сжатия.

Кроме того, наружная поверхность двигателя в зоне рабочих камер и агрегаты впрыска воды покрыты теплоизолирующим материалом.

Прямоточная система охлаждения позволит последовательно отбирать тепло сначала от менее нагретых деталей двигателя, кончая самыми нагретыми, в зоне выпускных патрубков, обеспечивая при этом как необходимое температурное состояние двигателя, так и высокую температуру нагреваемой воды будущего дополнительного рабочего тела.

Внешняя теплоизоляция позволит свести к минимуму потери тепла с поверхности двигателя внутреннего сгорания.

На чертеже изображен двигатель, состоящий из одного трехцилиндрового модуля. Двигатель 1 состоит из двух рабочих цилиндров 2, между которыми размещен расширительный цилиндр 3.

Рабочие цилиндры имеют впускные клапаны 4 и перепускные уравновешенные клапаны 5. Перепускные каналы 6 соединяют надпоршневое пространство 7 рабочих цилиндров с надпоршневым пространством 8 расширительного цилиндра. Расширительный цилиндр имеет выпускной клапан 9.

Кривошипы 10 коленвала 11 расположены в одной плоскости, причем средний кривошип относительно крайних смещен на 180^o. В рабочих цилиндрах установлены форсунки 12 для впрыска перегретой воды в конце такта сжатия. Огневые днища головки 13, поршней 14, 15. а также поверхности перепускных каналов и тарелки клапанов покрыты жаростойким теплоизоляционным материалом 16.

В теле цилиндров и в головке выполнены каналы 17 прямоточной системы охлаждения. С внешней стороны эти каналы окружены теплоизолирующим материалом 18. Остальные элементы прямоточной системы охлаждения: расходный бак, подкачивающий водяной насос, впрыскивающий насос на чертеже не показаны.

Не показаны также агрегаты топливоподачи при внутреннем смесеобразовании или агрегаты внешнего смесеобразования, включая систему зажигания.

Из этих трехцилиндровых модулей могут быть скомпонованы многомодульные схемы с рядным, V-образным, оппозитным расположением цилиндров.

Двигатель работает следующим образом.

В рабочих цилиндрах 2 осуществляется обычный четырехтактовый процесс. Причем циклы левого и правого цилиндров смещены друг относительно друга на 360^o.

При движении левого поршня вниз открывается впускной клапан 4 и происходит всасывание чистого воздуха или топливовоздушной смеси. При движении поршня вверх происходит сжатие и в районе верхней мертвой точки (ВМТ) происходит впрыск топлива или зажигание топливовоздушной смеси. Далее следует рабочий ход.

При подходе поршня к нижней мертвой точке (НМТ) открывается клапан 5, и раскаленные газы по каналу 6 будут поступать в надпоршневое пространство 8 расширительного цилиндра 3, у которого поршень в это время будет находиться в ВМТ. Далее последует выталкивание газов из цилиндра 2 с дальнейшим их расширением в цилиндре 3.

При этом газы будут продолжать совершать полезную механическую работу. При подходе левого поршня к ВМТ, а среднего к НМТ клапан 5 закрывается, а клапан 9 открывается. При обратном движении поршня 15 отработавшие газы покинут цилиндр. Следующие два такта расширительный цилиндр будет работать с правым цилиндром. Далее цикл повторяется.

После пуска двигателя сразу вступает в работу подкачивающий водяной насос, который создает давление в прямоточной магистрали, необходимое для подавления парообразования. Впрыскивающий же насос вступает в работу только после прогрева двигателя и достижения заданной температуры, например 150^oC.

Поскольку стенки камеры сгорания теплоизолированы, то они быстро нагреваются и при прогреве двигателя выхлоп будет бездымным. С повышением нагрузки и увеличением подачи топлива возрастет и подача впрыскиваемой воды, т.е. соотношение между расходом топлива и водой будет поддерживаться на всех режимах.

В двигателе внутреннего сгорания на подготовку рабочего тела сжатие воздуха или смеси, затрачивается около половины работы расширения газа. Поэтому включение в работу дополнительного рабочего тела водяного пара, путем впрыска в цилиндр перегретой воды, на приготовление которого практически не затрачивается работа, есть прямое повышение экономичности двигателя.

Теперь при наружной теплоизоляции двигателя тепло, не принимавшее участия в рабочем процессе, будет уноситься только масляной системой. Все остальное только через выпускную трубу после совершения полезной работы и нагрева дополнительного рабочего тела.

Расход воды будет составлять до одного кг и более на один кг топлива в зависимости от коэффициента избытка воздуха α и степени теплоизоляции.

При форсировке двигателя турбонаддувом коэффициент избытка воздуха может быть снижен до величины, необходимой для обеспечения бездымного сгорания, т. к. при газопаровом процессе снизится средняя температура цикла.

Поскольку с введением дополнительного рабочего тела энергия газопарового заряда будет выше, то для превращения ее в полезную механическую работу в самом двигателе, степень расширения e_p берется больше степени сжатия ε_c. Для этого используется цилиндр продолженного расширения.

Введение водяного пара в процесс горения резко сократит выброс токсичных веществ в атмосферу.

Источник информации
Патент США N 3608307 от 28.09.71.

Использование: в двигателестроении, как с внутренним, так и с внешним смесеобразованием. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания содержит по крайней мере два цилиндра с четырехтактным циклом работы и один расширительный цилиндр большего диаметра, расположенный между ними в одной плоскости, образующие модуль, причем в крайних цилиндрах установлены форсунки для впрыска воды, а огневые поверхности всех трех рабочих камер покрыты жаростойким теплоизолирующим материалом, система охлаждения двигателя выполнена в виде прямоточной магистрали с последовательным движением жидкости от менее нагретых деталей к более нагретым, при этом в начале магистрали установлен подкачивающий насос, подающий специально подготовленную воду из расходного бака под давлением не ниже 15 кгс/см² в охлаждающие каналы двигателя, а в конце магистрали - впрыскивающий насос для подачи перегретой воды в цилиндры в конце такта сжатия. Наружная поверхность в зоне рабочих камер и агрегата впрыска воды покрыты теплоизоляционным материалом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по крайней мере два цилиндра с четырехтактным циклом работы и один расширительный цилиндр большего диаметра, расположенный между ними в одной плоскости, образующие модуль, причем в крайних цилиндрах установлены форсунки для впрыска воды, а огневые поверхности всех трех рабочих камер покрыты жаростойким теплоизолирующим материалом, отличающийся тем, что система охлаждения выполнена в виде прямоточной магистрали с последовательным движением жидкости от менее нагретых деталей к более нагретым, при этом в начале магистрали установлен подкачивающий насос, подающий специально подготовленную воду из расходного бака под давлением не ниже 15 кгс/см² в охлаждающие каналы двигателя, а в конце магистрали впрыскивающий насос для подачи перегретой воды в цилиндры в конце такта сжатия. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что его наружная поверхность в зоне рабочих камер и агрегаты впрыска воды покрыты теплоизоляционным материалом.