СПОСОБ ОРГАНИЗАЦИИ ИЗОХОРНОГО ПРОЦЕССА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B71/04 

Изобретение относится к области энергомашиностроения.

Наиболее близким прототипом двигателя, в котором можно реализовать изохорный процесс сгорания топлива, является двухцилиндровый свободнопоршневой с оппозитным движением поршней двигатель внутреннего сгорания. Преобразование кинетической энергии поршней двигателя в электрическую энергию осуществляется осцилляторным пьезотрансформатором (патент 2169278), а оперативное управление мощностью - задержкой поршней в исходных для совершения очередного рабочего цикла положениях на время, обратно пропорциональное величине текущей мощности.

В двигателе внутреннего сгорания сгорание топлива происходит в основном при почти постоянном объеме в период времени, когда поршень находится в окрестностях верхней мертвой точки, а некоторая часть топлива догорает на стадии расширения продуктов сгорания. Чем больше степень расширения продуктов сгорания, тем менее эффективно догорает топливо, так как с падением давления и температуры в цилиндре снижается интенсивность окислительных реакций. Это явление - основная причина того, что в выхлопных газах присутствуют продукты неполного сгорания.

Задача изобретения состоит в том, чтобы при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель обеспечить полное сгорание топлива в цилиндре свободнопоршневого двигателя до конечных продуктов окисления. С этой целью поршни двигателя на время сгорания топлива удерживаются в окрестностях максимального сближения, после чего поршни разблокируются и начинается процесс расширения продуктов сгорания. Фиксация поршней в окрестностях максимального сближения может осуществляться как механическим, так и гидравлическим способами.

Сущность изобретения поясняется описанием принципа действия энергоустановки, кинетическая энергия поршней которой преобразуется в электроэнергию с помощью осцилляторного пьезотрансформатора.

Энергоустановка состоит из (см. чертеж) двух свободнопоршневых с оппозитным движением поршней двигателей 1 и 2 (далее -левый и правый двигатели), двух пьезотрансформаторов 3 и 4, аккумулятора и системы управления (система управления и аккумулятор не показаны).

Перед пуском поршни левого двигателя 5 и соединенные с ними поршни компрессоров 6 и плунжеры 7 находятся в крайних точках расхождения, впускные клапаны 8 открыты, клапан выпуска отработавших газов 9 и клапаны компрессоров 10 закрыты. Клапаны пьезотрансформаторов 11-14 открыты, а клапаны 15-18 закрыты. За исключением клапана выпуска отработавших газов (закрыт) одноименные детали правого двигателя занимают противоположные положения.

Для пуска энергоустановки система управления с аккумулятора подает напряжение на активные грани пьезопакетов 19, 20 одного знака, а на пьезопакеты 21, 22 другого знака. В результате пьезоэффекта размеры первой пары увеличиваются, а второй уменьшаются. Жидкость из полостей пьезопакетов 19, 20 вытесняется в полости 23, 24. Одновременно жидкость из полостей 25, 26 по каналам 27, 28 поступает в полости 29, 30, а из полостей 31, 32 в полости пьезопакетов 21, 22. Под действием жидкости поршни левого ДВС и соединенные с ними поршни компрессоров и плунжеры начинают сходиться, а одноименные поршни и плунжеры правого ДВС расходиться. Так как изменение объемов пьезопакетов много меньше объемов полостей плунжеров, то жидкость может продвинуть поршни лишь на незначительную часть их полного хода. Для обеспечения непрерывного движения поршней система управления, по мере достижения пьезопакетами пределов рабочих деформаций, меняет знаки подаваемых на их активные грани электрических зарядов, закрывает клапаны 11-14 и открывает клапаны 15-18, в результате чего соответственно изменяются знаки деформаций пьезопакетов и жидкость продолжает поступать в полости 23, 24, а из полостей 31, 32 подаваться к пьезотрансформаторам. Циклы переключения клапанов и изменения знаков зарядов на активных гранях пьезопакетов продолжаются до полного перемещения поршней в противоположные крайние точки. В момент, близкий к максимальному сближению поршней левого ДВС, в его камеру сгорания форсункой 33 подается топливо. Топливо воспламеняется, и, когда давление продуктов сгорания остановит поршни в крайних точках сближения, система управления закроет клапаны 11-18 и тем самым зафиксирует поршни в данном положении. Затем система управления отслеживает полноту сгорания топлива и подает команду на соответствующее срабатывание клапанов 11-18, в результате чего поршни разблокируются, и расширяющиеся продукты сгорания меняют направление движения поршней обоих ДВС.

В процессе расхождения поршней левого ДВС плунжеры вытесняют жидкость из полостей 23, 24, система управления клапанами 11-18 попеременно направляет поток жидкости в полости пьезопакетов 19, 20 и 21, 22, вызывая тем самым знакопеременные деформации пьезопакетов, и на их активных гранях выделяются электрические заряды. Генерируемая таким образом электроэнергия, за вычетом той части, которая необходима для питания системы управления и дозарядки аккумулятора, направляется потребителю.

Как только поршни левого ДВС достигнут окрестностей крайних точек расхождения, отработавшие газы через открывшийся к этому моменту клапан 9 вытекают в атмосферу, затем открываются впускные клапаны 8 и воздух из полостей компрессора продувает цилиндр. Одновременно, если требуется работа энергоустановки на полной мощности, начинается рабочий цикл правого ДВС, и далее рабочие циклы обоих ДВС непрерывно чередуются.

Таким образом, независимо от нагрузки на энергоустановку система управления, задерживая поршни в окрестностях максимального сближения, организует сгорание топлива либо в интересах экологичности, экономичности или максимальной мощности.

Доработка рассмотренного типа энергоустановки касается только системы управления. Для других типов свободнопоршневых ДВС потребуется специальный механизм фиксации поршней в точках максимального схождения поршней.

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет повысить полноту сгорания топлива в цилиндрах свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания. Способ организации процесса сгорания топлива в камере сгорания свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания состоит в том, что в период сгорания топлива поршни двигателя фиксируются в окрестности максимального сближения до полного сгорания топлива, после чего поршни разблокируются и начинается процесс расширения продуктов сгорания. 1 ил.

Способ организации процесса сгорания топлива в камере сгорания свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что в период сгорания топлива поршни двигателя фиксируются в окрестности максимального сближения до полного сгорания топлива, после чего поршни разблокируются и начинается процесс расширения продуктов сгорания.