ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ВЫСОКОЙ СТЕПЕНЬЮ СЖАТИЯ (ЛАД-3) Российский патент 1998 года по МПК F02B59/00 F02B33/16 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в качестве силовой установки.

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, внутри которого с одной и другой стороны закреплены по два неподвижных поршня с водяной рубашкой, движущиеся между поршнями соосные спаренные днищами цилиндры, шатун и коленчатый вал, причем на одной стороне закреплены два неподвижных рабочих цилиндра с выхлопными клапанами (см. патент США N 1897879, МПК F 02 B 75/30, 1933).

Известный двигатель обладает недостаточным коэффициентом полезного действия (КПД), повышенной токсичностью отработавших газов и недостаточной долговечностью.

Задача изобретения заключается в повышении КПД и долговечности двигателя и в снижении токсичности отработавших газов.

Поставленная задача решается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания имеет блок цилиндров, внутри которого с одной стороны закреплены два неподвижных поршня наддува с водяной рубашкой и автоматическими воздушными клапанами. С другой стороны блока закреплены два неподвижных рабочих поршня с водяной рубашкой, выхлопным клапаном, насос-форсунками для впрыска топлива и воды и лучевод лазерного луча. Неподвижные рабочие поршни имеют меньший размер, чем поршни наддува.

Между поршнями двигаются соосные, спаренные днищами, заодно отлитые, цилиндр наддува и рабочий цилиндр, между собой цилиндры сообщаются через автоматический перепускной клапан, в корпусе которого установлены направляющие лопатки, создающие многозаходный винтовой смерч воздуха.

Прямой впрыск топлива насос-форсункой производится в верхней мертвой точке в вихревой смерч воздуха, образующийся в рабочем цилиндре.

Спаренные днищами соосные цилиндры насажены на один цилиндровый палец, соединенный шатуном с коленчатым валом, имеющим на себе кулачки для привода насос-форсунок и открытия выхлопных клапанов.

На верхней половине днища каждого неподвижного поршня сделан сегментный срез. Между днищами отлитых совместно цилиндров наддува и рабочих цилиндров выполнены охлаждающие колодца, соединенные каналами с коленчатым валом через пустотелый палец и шатун с последующим вытеканием охлаждающей жидкости.

На фиг. 1 представлен разрез двигателя (вид сбоку), фиг. 2 - вид сверху.

Двигатель содержит блок 3 цилиндров, в нижней части которого крепятся своими пальцами неподвижные поршни наддува 4, имеющие водяную рубашку.

В передней части блока 3 на плиту 13 своими фланцами крепятся неподвижные рабочие поршни 12, имеющие меньший размер, чем поршни наддува 4. У поршней наддува 4 к днищу крепится болтами нажимное кольцо 7, имеющее канавку для компрессионного кольца и сегментный срез 8 на верхней половине кольца для получения воздушной подушки, снижающей гравитацию.

Нажимное кольцо 7 прижимает двухлепестковое манжетное уплотнение 6. Верхний лепесток компрессионный, нижний маслосъемный. Манжетные лепестки сделаны из жаростойкого, антифрикционного материала ГРАФЛЕКСА.

Поршень наддува 4 имеет внутри воздушный патрубок, к концу его прикрепляется корпус 3 автоматического воздушного клапана 32.

Рабочий поршень 12 имеет водную рубашку 25 с подводящим патрубком 15 и отводящим патрубком 18. Внутри рабочего поршня имеется выхлопной клапан 11 и выхлопной патрубок 17, лучевод лазерного луча 16, на верхней половине днища поршня сделан сегментный срез 8 для получения воздушной подушки, снижающей силы гравитации горизонтально движущихся спаренных цилиндров. Внутри рабочих поршней 4 имеются насос-форсунки 23 для прямого впрыска бензина или солярки в камеру сжатия, насос-форсунки 24 впрыска воды и лазерный лучевод 16 для подачи лазерного луча.

Коленчатый вал 1 имеет один кривошип, маховик 39 и кулачки 26 для привода топливной насос-форсунки 23, кулачки 27 для открытия выхлопного клапана через коромысло 2 и прямоугольное коромысло 14, кулачки 28 для привода водяной насос-форсунки 24 и шестерню 29, передающую вращение на шестеренный маслонасос.

Коленчатый вал 1 вращается на четырех скользящих подшипниках. Кривошип коленчатого вала соединяется с нижней разъемной головкой шатуна 30, верхняя головка которого разъемная, надевается на середину цилиндрового пальца 20.

Палец 20 соединяется со спаренными цилиндрами с помощью съемных крышек 21, имеющими регулировочные прокладки 22.

Отлитые совместно цилиндр наддува 5 и рабочий цилиндр 9 имеют между днищами охлаждающие колодцы 25, в которые поступает смазочно-охлаждающая жидкость под давлением через каналы в коленчатом вале 1 и шатуне 30 в пустотелый цилиндровый палец и вытекает из охлаждающих колодцев 25 через отверстия для охлаждения внешних стенок рабочего цилиндра 9.

Перепускной клапан 10 имеет корпус, запрессованный между днищами спаренных наддува и рабочего цилиндров. Направляющая втулка стержня перепускного клапана соединяется с корпусом лопатками 40, создающими движение воздуха в рабочий цилиндр по многозаходной винтовой спирали, образующей при высокой степени сжатия вихревой смерч, в который производится прямой впрыск насос-форсункой топлива, испаряющегося и полностью сгорающего с оптимальными условиями сгорания с наибольшим выделением энергии и малой токсичностью выхлопа.

Открытие и закрытие перепускного клапана 10 производятся автоматически при касании стержня клапана упорного болта поршня наддува.

Степень сжатия в рабочем цилиндре может быть увеличена снятием прокладки 19 из-под фланцев рабочих поршней.

Если будет необходимость, то можно увеличить коэффициент наполнения цилиндров воздухом применением третьей ступени дополнительного наддува от газовой турбины, приводимой в действие выхлопными газами.

У двигателя ЛАД-3 предусмотрена возможность применения гидропривода на ведущие механизмы, если будет установлен гидравлический поршневой насос двойного действия 33 с прямой передачей возвратно-поступательного движения цилиндров через шток 38, 36, имеющий разъемное соединение с цилиндровым пальцем 20.

Поршень 34 гидронасоса состоит из 2 половин, между которыми зажимаются компрессионные манжетные лепестки 35 в дополнение к компрессионным кольцам. На нижних половинах поршня 34 делаются сегментные срезы, уменьшающие износ поршней и цилиндра.

Между заплечиками штока и дистанционной втулкой ставится манжетное уплотнение 37 из 2-манжентных лепестков, которое может обеспечить подачу охлаждающей жидкости в охлаждающие колодцы 25 подвижных цилиндров /если этот вариант будет надежнее, чем подача охлаждающей жидкости по каналам в коленчатом валу и шатуне/.

Смазочно-охлаждающая система может быть сделана раздельной, с использованием только для гидропривода или ее можно объединить с системой смазки и охлаждения двигателя,
Если двигатель будет работать только на стационаре, то поршневой гидронасос двойного действия может быть использован для перекачивания жидкостей.

Процесс работы двигателя ЛАД-3 может быть выбран в зависимости от назначения и условий работы его.

I. Работа двигателя с прямым впрыском бензина для пассажирского транспорта: при ходе цилиндра наддува к верхней мертвой точке (ВМТ) образующимся в нем разрежением всасывается чистый воздух через открываемый атмосферным давлением автоматической воздушной клапан 32, при следующем ходе цилиндра к нижней мертвой точке (НМТ) воздух сжимается и в конце такта сжатия стержень перепускного клапана 10, упираясь в упорный болт наддува, открывается и сжатый воздух с наддувом перепускается в рабочий цилиндр 9 по многозаходному винтовому смерчу, образуемому направляющими лопатками 40 корпуса перепускного клапана.

При высокой степени сжатия в образовавшийся спиральный смерч с упругими стенками производится прямой впрыск насос-форсункой бензина, испаряющегося и смешивающегося с воздухом циклона и сгораемого без касания стенок цилиндра с большей энергией, высвобождающейся при взрыве, обеспечивающей большую мощность двигателя с токсичностью выхлопа меньше стандартной.

II. Работа двигателя на дизельном топливе для грузо-пассажирского транспорта и тракторных двигателей.

Для увеличения степени сжатия можно снять прокладки 19 из-под фланцев рабочего поршня 12, от чего поршень опустится, объем камеры сжатия уменьшится. Для образования более плотного многозаходного спирального смерча с большей плотностью сжатия, способствующего лучшему испарению и сгоранию солярки, можно увеличить коэффициент наполнения цилиндра наддува, применив дополнительную ступень наддува от турбинки, работающей от избыточного давления выхлопных газов.

III. Работа двигателя на солярке с впрыском воды. При установившейся работе на дизельном топливе включается насос-форсунка 24 для впрыска воды, мгновенно испаряющейся и превращающейся в перегретый пар, повышающий давление в цилиндре и мощность двигателя.

Испарение топлива и воды поглощает избыток тепла, что дает возможность повысить степень сжатия. Количество дизтоплива дается уменьшенное, достаточное только для полного превращения воды в перегретый пар.

IV. Работа двигателя по дизель-лазерному водопаровому циклу.

После прогрева двигателя и установившейся работы по дизельному циклу с одновременной подачей воды насос-форсункой 24 осуществляется по лучеводу 16 подача лазерного луча, способствующего полному сгоранию дизтоплива и превращению воды в перегретый пар, получим возможность работы по дизель-лазерному водопаровому циклу со снижением расхода горючего при полнейшем его сгорании и полном испарении воды с получением малотоксичного выхлопа.

При работе двигателя на стационаре скрытую теплоту парообразования можно раскрыть, используя для обогрева помещений, теплиц и др. целей, с конденсацией пара и повторным использованием конденсата в двигателе.

Изобретение может быть использовано в качестве силовой установки. В верхней части блока цилиндров двигателя установлены неподвижные рабочие поршни с рубашкой охлаждения, выхлопными клапанами, насос-форсунками для подачи топлива и воды и лучеводами для подачи лазерного луча. В нижней части блока установлены поршни наддува, имеющие рубашку охлаждения и патрубок с автоматическим воздушным клапаном. Между поршнями размещены подвижные в горизонтальном положении, спаренные днищами соосные рабочие цилиндры с цилиндрами наддува, отлитые совместно и сообщающиеся между собой через автоматический перепускной клапан. В корпусе перепускного клапана имеются направляющие лопатки, создающие вихревое многозаходное движение воздуха с образованием в рабочем цилиндре вихревого смерча, в который производится прямой впрыск насос-форсункой топлива. Между днищами отлитых совместно соосных цилиндров имеются охлаждающие колодцы, в которые поступает под давлением смазочно-охлаждающая незамерзающая жидкость. У каждого неподвижного поршня на верхней половине днища сделан сегментный срез. Технический результат заключается в повышении КПД, долговечности двигателя и снижении токсичности отработавших газов. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, внутри которого с одной и другой стороны закреплены по два неподвижных поршня с водяной рубашкой, движущиеся между поршнями соосные, спаренные днищами цилиндры, шатун и коленчатый вал, причем на одной стороне закреплены два неподвижных рабочих поршня с выхлопными клапанами, отличающийся тем, что на другой стороне блока закреплены два неподвижных поршня наддува с автоматическими воздушными клапанами, неподвижные рабочие поршни имеют меньший размер, чем поршни наддува, снабжены насос-форсунками для впрыска топлива и воды и лучеводами лазерного луча, цилиндр наддува и рабочий цилиндр отлиты заодно и сообщаются между собой через автоматический перепускной клапан, в корпусе которого установлены направляющие лопатки, создающие многозаходный винтовой смерч воздуха, причем прямой впрыск топлива насос-форсункой производится в верхней мертвой точке в вихревой смерч воздуха, образующийся в рабочем цилиндре, а спаренные днищами соосные цилиндры насажены на один цилиндровый палец, соединенный шатуном с коленчатым валом, имеющим кулачки для привода насос-форсунок и открытия выхлопных клапанов. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что на верхней половине днища каждого поршня сделан сегментный срез. 3. Двигатель по п. 1 или 2, отличающийся тем, что между днищами отлитых совместно цилиндров наддува и рабочих цилиндров выполнены охлаждающие колодцы, соединенные каналами с коленчатым валом через пустотелый палец и шатун, с последующим вытеканием охлаждающей жидкости.