ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02C5/04 F02C3/16 F02C5/12 F02C7/236 

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в двигателестроении.

Из тепловых двигателей в современной технике наиболее широкое применение находят поршневые ДВС, работающие по четырехтактному циклу. Эффективность работы этих двигателей оценивают величиной эффективного КПД, который определяет общее теплоиспользование в двигателях с учетом тепловых и механических потерь соответственно через термический и механический КПД /1, с. 188/.

Термический КПД ДВС определяется степенью сжатия рабочей смеси, поэтому для повышения экономичности двигателей на протяжении всей истории развития ДВС непрерывно увеличивают степени сжатия. У отечественных автомобильных двигателей за последние 30...40 лет степени сжатия возросли почти вдвое /1, с. 18/.

У современных карбюраторных двигателей степень сжатия составляет 6...13, а у дизелей - 13...22 /2, с. 8/, Термический КПД дизеля при степени сжатия 16,5 достигает 55%, а у карбюраторных двигателей при степени сжатия 7 не превышает 40% /1, с. 196/.

Тепловой баланс двигателя при повышении степени сжатия существенно изменяется: возрастает доля тепла, превращаемого в полезную работу, а относительные тепловые потери сокращаются. Однако повышение степени сжатия в современных ДВС представляет серьезную техническую проблему. Повышение степени сжатия за счет уменьшения объема камеры сгорания имеет свой предел, ниже которого нарушается процесс горения топлива; увеличение объема цилиндра (а следовательно, и массы двигателя) в условиях сложившейся мировой практики вряд ли может быть перспективным. Кроме того, при высоких степенях сжатия начинается детонационное горение бензина.

При работе поршневого двигателя часть его индикаторной мощности затрачивается на преодоление трения в поршневой группе и на приведение в действие вспомогательных механизмов - так называемая мощность механических потерь, выражаемая через механический КПД Механический КПД современных поршневых ДВС составляет примерно 0,7 ... 0,8, причем потери на трение составляют около 70% /1, с. 146, 149/.

С учетом сказанного величина эффективного КПД при полной нагрузке карбюраторных двигателей не превышает 30% (степень сжатия 7), а дизелей - 40% (степень сжатия 17...18) /1, с. 188/.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является двигатель внутреннего сгорания /3, фиг. 13 ... 15/, содержащий компрессор и одну или несколько камер сгорания, размещенных в роторе, жестко насаженном на вал, часть которого выполнена полой, установленный с возможностью вращения от энергии горения топлива.

Ротор с лопатками компрессора размещены в статоре, а лабиринтные уплотнения между статором и ротором служат для герметизации компрессора. Лопатки компрессора, расположенные на боковой поверхности ротора, сжимают воздух и проталкивают его в окна ротора, соединяющиеся через промежуточные камеры с камерами сгорания. Топливо в камеры сгорания подается через полую часть вала и радиальные по числу камер сгорания каналы. При вращении ротора с лопатками компрессора в камеры сгорания непрерывно поступают сжатый воздух и топливо, образуя топливо-воздушную смесь, которая воспламеняется от устройства зажигания. Истечение из камер продуктов сгорания вызывает образование реактивной силы, которая и вращает ротор.

Известно, что при работе поршневых ДВС в камеры сгорания данного типа двигателя поступает практически одинаковое количество воздуха, а состав горючей смеси (и скорость вращения вала) регулируют количеством вводимого топлива. Задачу получения требуемого соотношения топлива и воздуха в камерах сгорания прототипа решить крайне сложно. Лабиринтные уплотнения при самом точном изготовлении должны иметь зазор для беспрепятственного вращения ротора, причем величина зазора будет изменяться в зависимости от температуры нагрева работающего двигателя. Поэтому очевидно, что сжатый воздух будет просачиваться через зазоры, а давление воздуха в камерах сгорания будет неустойчивым при постоянных оборотах. В этих условиях регулировать состав топливной смеси, а тем более поддерживать ее оптимальный состав невозможно. В прототипе использован центробежный компрессор с полуоткрытым рабочим колесом со степенью повышения давления около 4^х при ~ 15000 об/мин /4, с. 50/. При таких низких давлениях воздуха (без учета потерь) по сравнению с поршневыми ДВС термический КПД будет очень низким. При снижении числа оборотов двигателя термический КПД будет еще ниже. Кроме этого, высокие обороты, видимо, не позволят обеспечить надежное заполнение камер сгорания рабочей смесью.

Из чертежа видны высокая сложность и точность изготовления деталей прототипа.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективного КПД двигателя при одновременном снижении вредных выбросов и упрощении конструкции.

Технический результат достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, содержащем компрессор и одну или несколько камер сгорания, размещенных в роторе? жестко насаженном на вал, часть которого выполнена полой, установленный с возможностью вращения от энергии горения топлива, часть вала, содержащая одну полость, является продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора и соединена каналами с камерами сгорания, а другая часть вала содержит одну или несколько полостей по числу камер сгорания и каждая полость соединена каналами с соответствующей камерой сгорания и с топливным насосом, причем упомянутый компрессор выполнен поршневым, вал которого кинематически связан с валом двигателя.

Технический результат достигается и тем, что кинематическая связь между валом компрессора и валом двигателя выполнена таким образом, что в полости вала, являющейся продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора, поддерживается заданное давление воздуха вне зависимости от его расхода при различных оборотах двигателя.

Из теории ДВС известно, что эффективный КПД можно повысить за счет повышения термического КПД или за счет повышения механического КПД при условии постоянства одного из них.

Чтобы сохранить значение термического КПД заявляемого двигателя на уровне современных ДВС давление сжатого воздуха в камерах сгорания должно составлять ~ 14 ат для бензинового топлива и 30...40 ат для дизельного топлива /1, с. 71/. Для этого необходимо исключить потери сжатого воздуха на пути от компрессора до камер сгорания, технические характеристики компрессора позволят сжимать воздух до указанных выше значений и давление воздуха в камерах сгорания не будет зависеть от скорости вращения двигателя.

В заявляемом двигателе для исключения потерь сжатый воздух в камеры сгорания поступает по трубопроводу, роль которого играет полость вала. Для создания в камерах сгорания указанных давлений сжатого воздуха установлен поршневой компрессор, так как при степенях повышения давления свыше 15...20 поршневые компрессоры являются единственным типом применяемых компрессорных машин /4, с. 163/. И, наконец, чтобы в камерах сгорания давление сжатого воздуха было постоянным, кинематическая связь между валом компрессора и валом двигателя выполнена так, что в полости вала сохраняется заданное давление сжатого воздуха вне зависимости от его расхода при различных оборотах двигателя.

Исходя из того, что компрессия создается в ДВС и в компрессорах /5, с. 594/, каждый поршневой двигатель можно рассматривать как механизм, работающий одновременно и как компрессор и как собственно двигатель. Применительно к четырехтактным четырехцилиндровым двигателям можно заметить, что два цилиндра одновременно, но в разной последовательности, работают в режиме компрессора (такты всасывания и сжатия), а два - в режиме собственно двигателя (такты рабочий ход и выхлоп), при этом индикаторная мощность затрачивается на преодоление сил трения в четырех цилиндрах. Принимая механический КПД равным 0,8, на каждый цилиндр затрачивается около 5% индикаторной мощности. Следовательно, заменив два цилиндра собственно двигателя на ротор и оставив двухцилиндровый компрессор с теми же характеристиками, что и в поршневом двигателе, его механический КПД возрастет примерно на 10% при условии равенства скоростей движения поршней в поршневом двигателе и в компрессоре заявляемого двигателя.

Установив одноцилиндровый поршневой компрессор двойного действия, механический КПД будет еще выше.

В заявляемом двигателе расширяются возможности повышения и термического КПД. Установив компрессор с необходимыми рабочими характеристиками, можно значительно увеличить давление сжатого воздуха, не изменяя объем камер сгорания. Вопрос конкретных величин сжатия для различных видов топлива неоднозначен и требует экспериментальных исследований. Можно предположить, что детонация при сгорании топлива в камерах сгорания заявляемого двигателя не будет тормозом для повышения давления сжатой смеси, так как в камерах отсутствуют подвижные элементы типа поршней, колец и пальцев.

Известно, что в современных ДВС число оборотов двигателя регулируют путем изменения количества топлива в постоянном объеме воздуха камер сгорания. Это приводит к тому, что при определенном соотношении топлива и воздуха образуются канцерогенные соединения в виде угарного газа и оксидов азота. Опытные данные показывают, что существуют такие соотношения топлива и воздуха вблизи стехиометрического состава, при которых количество вредных выбросов минимально.

Поэтому чтобы поддерживать в заявляемом двигателе постоянное и оптимальное с точки зрения экологии соотношение топлива и воздуха, а число оборотов регулировать путем изменения числа включаемых в работу камер сгорания конструкция другой части вала позволяет избирательно подавать топливо в камеры сгорания при заданном соотношении топлива и воздуха и при любых оборотах двигателя.

На чертеже показан общий вид заявляемого двигателя. Двигатель содержит поршневой компрессор 1, кинематическую связь между валом компрессора и валом двигателя 2, ротор 3, камеры сгорания 4, каналы 5, соединяющие полость 17, расположенную в одной части вала и являющейся продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора с камерами сгорания, вал 6, воздушные клапаны 7, форсунки 8, каналы 9, соединяющие одну или несколько полостей 16 по числу камер в другой части вала с камерами сгорания, свечи зажигания 10, токонесущие шины 11, распределители топлива 12, соединяющие одну или несколько полостей по числу камер сгорания через систему каналов с топливными насосами, включающие топливные трубопроводы 13, уплотнительные кольца с внутренними полостями 14, радиальные отверстия 15, часть вала, содержащую одну или несколько полостей 16 по числу камер сгорания, часть вала, содержащая одну полость 17, являющуюся продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора, нагнетательный трубопровод компрессора 18 и выпускные клапаны 19.

Компрессор 1 закреплен на раме двигателя, а кинематическая связь между валом компрессора и валом двигателя 2 представляет автоматическую коробку передач, где ведущим валом является вал двигателя 6, а ведомым - вал компрессора 1. Следовательно, ведущая шестерня жестко насажена на вал двигателя, а ведомая - на вал компрессора. Ротор 3 жестко насажен на вал двигателя 6. Воздушные клапаны 7 и выпускные клапаны 19 закрыты под действием пружин, причем усилие сжатия пружины в выпускных клапанах 19 несколько больше, а в воздушных клапанах 7 несколько меньше заданного давления сжатия воздуха в компрессоре 1. Токонесущие шины 11 неподвижно закреплены к раме двигателя, а свечи зажигания 10 ввинчены в ротор 3. Между токонесущими шинами 11 и свечами зажигания 10 существует скользящий контакт. Распределители топлива 12 герметично охватывают поверхность части вала 16, неподвижны по отношению к способному вращаться валу 6 и могут служить опорными подшипниками. Стык между неподвижным нагнетательным трубопроводом компрессора 18 и частью вала 17 выполнен герметичным.

Заявляемый двигатель работает следующим образом. При вращении вала двигателя (например, от пускового двигателя, на фиг. 1 не показан) через кинематическую связь 2 вращается вал компрессора 1 и сжатый воздух через полость нагнетательного трубопровода компрессора 18 и полость части вала 17, через каналы 5 поступает в камеры сгорания 4, предварительно отжав воздушные клапаны 7. Одновременно с компрессором 1 включаются топливные насосы (или многоплунжерный насос), от которых топливо через топливные трубопроводы 13, полости уплотнительных колец 14, радиальные отверстия 15, полости 16, каналы 9 с помощью форсунок 8 впрыскивается в камеры сгорания 4.

При бензиновом топливе на токонесущие шины 11 подается напряжение и от искры в свечах зажигания 10 топливо-воздушная смесь в камерах сгорания 4 воспламеняется.

При самовоспламеняющемся топливе свечи зажигания отсутствуют.

Под давлением продуктов горения топлива воздушные клапаны 7 закрываются, выпускные клапаны 19 открываются, а возникшая реактивная сила вращает ротор 3 с валом 6 и через кинематическую связь 2 - компрессор 1.

Для того чтобы ротор 3 вращался плавно при меняющихся нагрузках подача топлива в камеры сгорания 4 осуществляется в задаваемой последовательности путем включения в работу одного, двух и т.д. топливных насосов.

Уместно заметить, что задержка закрывания выпускного клапана 19 (легко решаемая техническая задача) обеспечит продувку камеры сгорания 4 и снизит по сравнению с существующими двигателями остаток продуктов сгорания в свежем заряде сжатого воздуха.

Предлагаемая конструкция двигателя проста в изготовлении, в ней отсутствуют высокоточные движущиеся детали, работающие в условиях высоких температур и давлений.

Заявляемый двигатель требует для изготовления меньше специального оборудования, по габаритам, массе и стоимости близок к аналогичным поршневым ДВС и может быть использован в автомобиле и тракторостроении.

Использованная литература:
1. Автомобильные и тракторные двигатели. Часть 1. Под редакцией проф. И. М. Ленина. Издательство "Высшая школа", 1976 г.

2. Б.А. Романов. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Недра, 1989 г.

3. Патент США N 3045427 от 24.07.1962 г. (прототип).

4. А.Н. Шерстюк. Компрессоры. Государственное энергетическое издательство, М - Л, 1959 г.

5. БСЭ, том 12, М., Издательство "Советская энциклопедия", 1973 г.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в двигателестроении. В роторе, жестко соединенном с валом, выполнена одна или несколько камер сгорания. В одной части вала выполнена одна полость, являющаяся продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора и соединенная каналами с камерами сгорания. В другой части вала выполнена одна или несколько полостей по числу камер сгорания и каждая полость соединена каналом с соответствующей камерой сгорания и с топливным насосом. Компрессор, вал которого кинематически связан с валом двигателя, выполнен поршневым. Предложенная конструкция позволяет повысить эффективный КПД при одновременном снижении вредных выбросов и упрощении конструкции. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий компрессор и одну или несколько камер сгорания, размещенных в роторе, жестко насаженном на вал, часть которого выполнена полой, установленный с возможностью вращения от энергии горения топлива, отличающийся тем, что часть вала, содержащая одну полость, является продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора и соединена каналами с камерами сгорания, а другая часть вала содержит одну или несколько полостей по числу камер сгорания и каждая полость соединена каналами с соответствующей камерой сгорания и с топливным насосом, причем упомянутый компрессор выполнен поршневым, вал которого кинематически связан с валом двигателя. 2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что кинематическая связь между валом компрессора и валом двигателя выполнена таким образом, что в полости вала, являющейся продолжением полости нагнетательного трубопровода компрессора, поддерживается заданное давление воздуха вне зависимости от его расхода при различных оборотах двигателя.