УСТРОЙСТВО УНИВЕРСАЛЬНОГО ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2003 года по МПК F02B33/10 F02B33/12 F02B29/06 

Изобретение относится к конструкциям поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС), используемых в качестве силовых установок во всех видах транспорта - автомобильном, воздушном, железнодорожном, морском и речном, а также в сельскохозяйственных и строительных машинах, электростанциях, мотоциклах, нефтяной и газовой промышленностях и других гражданских и военных отраслях народного хозяйства во всех странах мира.

Известны ПДВС следующих типов, отличающихся:
1) по способу образования топливовоздушной смеси:
- с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и
- с раздельным смесеобразованием (впрыском топлива);
2) по принципу зажигания топливо-воздушной смеси:
- с принудительным воспламенением (бензиновые) и
- с самовоспламенением от сжатия (дизельные);
3) по числу тактов рабочего цикла:
- четырехтактные и
- двухтактные;
4) по способу подачи воздуха в цилиндр:
- без наддува (всасом) и
- с наддувом от внешнего нагнетателя;
5) по способу охлаждения:
- водяного и
- воздушного.

Они состоят из цилиндра, поршня, камеры сгорания, коленчатого вала, шатуна, газораспределительного механизма с впускными и выпускными клапанами, маховика, систем подачи топлива, электрообеспечения, пуска, охлаждения и смазки.

Бензиновые ПДВС дополнительно состоят из карбюратора или устройств непосредственного (электронного) впрыска топлива и свечи зажигания, а дизельные - из топливного насоса высокого давления и распылительных форсунок (Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. - М.: Высшая школа, 1985, 311 с.)
Бензиновые ПДВС имеют следующие недостатки:
- они предъявляют исключительно высокие эксплуатационные и экологические требования к качеству топлив, прежде всего к их фракционному и углеводородному составам. Нормальный бездетонационный режим горения и топливная экономичность достигаются применением высокооктановых бензинов, состоящих преимущественно из детонационностойких ароматических и изоалкановых углеводородов, для производства которых на НПЗ требуются дорогостоящие многостадийные каталитические процессы, такие как каталитический риформинг, алкилирования, изомеризация и другие, что уменьшает и без того ограниченные ресурсы топлив и удорожает их производство и, кроме того, являющимися экологически токсичными по содержанию бензола, суммы ароматических и олефиновых углеводородов (Гуреев А.А., Фукс И.Г., Лашхи В.Л. Химмотология. - М.: Химия, 1986, 368 с.);
- продукты сгорания бензинов, выбрасываемые в атмосферу, содержат в значительных количествах токсичные вещества, такие как оксид углерода (угарный газ), оксид азота и несгоревшие углеводороды (бензол, формальдегид, ацетальдегид и др.) (Магарил Б.Р. Эксплуатационные и экологические свойства топлив для автомобильных двигателей. - Екатеринбург: Урал Наука, 1999, 176 с).

Существенными недостатками дизельных ПДВС являются:
- большая их удельная масса, обусловливаемая проведением процесса горения топлива при высоких давлениях и степенях сжатия воздуха (∈=16-28);
- приспособленность дизелей к топливам с высокой самовоспламеняемостью, состоящим преимущественно из парафинонафтеновых углеводородов с цетановым числом 40-50 и с темпрературными пределами выкипания 200-360^oС;
- в выпускных газах дизелей из токсичных компонентов главное место занимают оксиды азота (55-85% от суммарного индекса токсичности), не поддающиеся нейтрализации в каталитических окислительных нейтрализаторах.

Общим недостатком ПДВС является приспособленность их к топливам только одного типа, т. е. их монотопливность, это вынуждает производителей топлив выпускать десятки различных их марок, что в свою очередь существенно удорожает производство и снабжение потребителей моторных топлив.

Как наиболее важным недостатком из вышеперечисленных, являющимся причиной лавинообразно возрастающего глобального экологического кризиса, следует признать недопустимо высокую токсичность выбросов ПДВС. Первопричиной высокой токсичности выпускных газов дизелей является проведение процесса горения топлива с избытком воздуха (при коэффициенте избытка воздуха α= 1,1-1,5), при высоких давлениях и температурах (соответственно 35-40 кгс/см², 500-700^oС в конце такта сжатия и 80-150 кгс/см² и 1800-2000^oС после самовоспламенения рабочей смеси), термодинамически и кинетически благоприятствующих образованию оксида азота и, что положительно, более полному сгоранию топлива с незначительным образованием оксида углерода, тем самым повышению топливной экономичности двигателя. Чрезмерно жесткий термобарический режим в такте сжатия дизелей обуславливается повышенной температурой самовоспламеняемости дизельного топлива.

В отличие от дизелей воспламенение рабочей смеси в бензиновых двигателях осуществляется принудительно искровым зажиганием при менее жестком термобарическом режиме в конце такта сжатия: при давлении 6-10 кгс/см² и температуре 350-500^oС. Первопричиной токсичности выпущенных газов двигателей с искровым зажиганием является неполный дожиг топлива с образованием оксида углерода и несгоревших углеводородов в результате проведения процесса бездетонационного горения рабочей смеси без достаточного избытка воздуха следующего состава: α= 0,7-0,9 на режиме полной нагрузки и 0,9-1,15 на малых и средних нагрузках двигателя, т. е. топливовоздушной (т. в.) смеси состава, соответствующего верхним и нижним пределам воспламенения бензиновоздушной смеси.

Известны также ПДВС с наддувом - подачей в цилиндр сжатого воздуха, применяемым для повышения удельной мощности двигателя. Однако наддув практически не оказывает влияния на экологические характеристики выпускных газов двигателей.

Известно устройство двухтактного ПДВС с дополнительным нагнетателем двойного действия для подачи в камеру сгорания топливно-воздушной смеси и тем самым обеспечивающим увеличение общего объема топливной смеси и удельной мощности двигателя (Скрипов Ю.Н. Патент РФ 2066379 "Двухтактный двигатель внутреннего сгорания", опубл. 10.09.1966). Однако в нем не обеспечиваются топливная универсальность и бездетонационный режим полного сгорания топлива с экологически чистым выхлопом.

Ближайшим к изобретению по технической сущности прототипом является многотопливный экологически чистый двигатель с искровым зажиганием, разработанный В.М. Кушулем (Кушуль В.М. Знакомтесь - двигатель нового типа. - Л.: Судостроение, 1966, 120 с.).

Двигатель имеет параллельно работающие два цилиндра, сообщающиеся между собой каналом в полости головки. Цилиндр 1 является рабочим, имеет камеру сгорания с объемом, соответствующим степени сжатия ε≈6,5, а цилиндр 2 служит нагнетателем воздуха в цилиндр 1 в такте горения богатой рабочей смеси с α= 0,5-1,0. Движение поршней происходит со сдвигом фаз с отставанием хода поршня 2 от 1 на 22-30^o оборота коленчатого вала (ОКВ). Двигатель может работать на бензине с карбюраторным смесителем или на дизельном топливе, которое впрыскивается в цилиндр 1 перед концом сжатия и воспламеняется от искры за 10-12^o о.к.в. до ВМТ. При подходе поршня нагнетателя к ВМТ давление в обоих цилиндрах выравнивается, и весь воздушный заряд вытесняется в камеру сгорания, где завершается в этот момент первая стадия горения богатой т.в. смеси. Наддув высокосжатого воздуха из цилиндра 2 вызывает сильную турбулизацию и дожигание обедненной до α=1,0-2,0 рабочей смеси. Таким образом достигается постадийное сгорание топлива: вначале осуществляется воспламенение и сгорание т.в. смеси при недостатке кислорода и умеренных значениях температуры и давления, затем интенсивное и полное догорание при избытке кислорода продуктов первой стадии неполного горения топлива в потоке высокосжатого воздуха. Двухстадийное горение т.в. смеси и турбулентность на второй стадии сгорания обеспечивают интенсивное бездетонационное сгорание топлива, мягкую и бесшумную работу двигателя, высокую удельную мощность и топливную экономичность, а также, что особенно важно, чистый нетоксичный выхлоп.

Хотя стендовые и длительные дорожные испытания экспериментальных образцов двигателя-прототипа подтвердили устойчивую бездетонационную его работоспособность на всем диапазоне рабочих нагрузок как на низкооктановом бензине, так и на дизельном топливе с высокими эксплуатационными и экологическими показателями, тем не менее двигатель Кушуля не нашел массового внедрения в двигателестроение.

Существенными недостатками устройства двигателя по прототипу являются усложнение его конструкции, удвоение требуемого количества цилиндров с поршнями, кривошипно-шатунного механизма, увеличение объема и массы двигателя и использование нагнетателя воздуха только в одном такте его рабочего цикла - такте сгорания топлива.

Задачей предлагаемого изобретения является создание более простого по конструкции устройства экологически чистого и топливно-универсального двигателя с высокой удельной мощностью и низким удельным расходом топлива широкого фракционного состава без ограничений его детонационной стойкости и цетанового числа.

Указанный технический результат достигается тем, что предложенное устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с четырехтактным рабочим циклом содержит цилиндр, поршень, камеру сгорания, шатун, коленчатый вал, картер, маховик, газораспределительный механизм, свечу зажигания, нагнетатель воздуха, системы подачи топлива, электрообеспечения, смазки, пуска и охлаждения. Кроме того, предложенное устройство содержит поршневой нагнетатель воздуха двойного действия, обеспечивающий подачу воздуха в камеру сгорания двигателя во всех тактах его рабочего цикла. Рабочий поршень и поршень нагнетателя воздуха расположены соосно в одном общем цилиндре и жестко соединены между собой штоком, а камеры нагнетателя воздуха двойного действия разделены друг от друга перегородкой. В нагретый в камере от адиабатического сжатия воздух впрыскивается топливо перед концом такта сжатия двигателя с образованием богатой топливо-воздушной смеси, которая воспламеняется от свечи зажигания и полностью сгорает без детонации и образования токсичных газов при подаче в камеру сгорания сжатого нагнетателем воздуха. В предложенном устройстве поршневого двигателя внутреннего сгорания может использоваться гидроочищенное топливо широкого фракционного состава без ограничений его детонационной стойкости и цетанового числа.

Принципиальная схема устройства и индикаторная диаграмма предлагаемого топливно-универсального экобезопасного двигателя с четырехтактным рабочим циклом показаны соответственно на фиг.1 и 2.

Предложенное устройство состоит из цилиндра 1, рабочего поршня 2 с жиклером 12 с обратным клапаном, камеры сгорания 3, головки цилиндров с расположенной на ней форсункой 4, свечой зажигания 5 и выпускным патрубком с клапаном 6, шатуна 13, коленчатого вала 14, картера 15, из непоказанных на фиг. 1 систем подачи топлива с насосом высокого давления, смазки, пуска, охлаждения, газораспределительного механизма и маховика и согласно изобретению содержит поршень 7 нагнетателя воздуха двойного действия, шток 11, жестко соединяющий оба поршня, воздушные камеры переменного объема 8 и 9 с разделяющей их перегородкой 10, воздушным жиклером 12 и воздухонагнетательной трубкой 16 с обратными клапанами и обратные клапаны на всасывающих патрубках нагнетателя 17.

Устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршней 2 и 7 осуществляются поочередное наполнение камер 8 и 9 воздухом и вытеснение его в следующем такте в камеру сгорания 3.

Рабочий цикл двигателя состоит из периодически повторяющихся следующих четырех тактов: всаса, сжатия, рабочего хода и выпуска.

1. В такте всаса двигателя (при движении поршня 2 от ВМТ к НМТ) в камеру сгорания через жиклер 12 нагнетается воздух из камеры 8.

2. В такте сжатия при движении рабочего поршня от НМТ к ВМТ осуществляется дополнительный наддув в камеру сгорания воздуха из камеры 9 через трубку 12 и сжатие (до ε=10-11) всего воздушного заряда поршня 2 и 7. Перед концом такта сжатия насосом высокого даления и форсункой 4 осуществляются впрыск топлива в нагретый от адиабатического сжатия воздух с образованием богатой топливовоздушной смеси (α≈0,7-0,9) и воспламенения ее свечой зажигания за 10-15^o о.к.в. до прихода рабочего поршня к ВМТ.

3. В рабочем такте осуществляется преобразование тепла сгорания топлива в механическую энергию двигателя. После воспламенения богатая т.в. смесь быстро сгорает, в результате резко повышаются температура и давление газов над рабочим поршнем. Поскольку при сгорании богатой т.в. смеси максимальная температура в цилиндре будет ниже, чем при сгорании т.в. смеси стехиометрического состава (α=1,0), первая ступень сгорания топлива протекает при умеренном термобарическом режиме без детонации. При движении поршня 2 от ВМТ к НМТ в результате расширения рабочего объема горения давление над поршнем 2 интенсивно снижается, а в воздушной камере 8 - наоборот интенсивно повышается от его сжатия. При выравнивании давлений в обеих камерах открывается обратный клапан жиклера 12 и вторая ступень горения происходит при интенсивном и непрерывном нагнетании (см. на фиг.2 индикаторную диаграмму двигателя) воздуха и обеднении рабочей смеси. Температура и давление над поршнем 2 вновь повышаются в результате полного догорания продуктов первой ступени горения, содержащих в значительных количествах оксид углерода и несгоревших углеводородов.

4. В такте выпуска при движении поршня от НМТ к ВМТ в камеру сгорания при открытом выпускном клапане 6 нагнетается воздух из камеры 9 и отработавшие газы двигателя выталкиваются в атмосферу.

Топливная универсальность предлагаемой конструкции экологически чистого ПДВС достигается тем, что в качестве моторного топлива используется гидроочищенная широкая фракция нефти, содержащая бензиновые, керосиновые и дизельные фракции без ограничений по детонационной стойкости и цетановому числу. Эксплуатация предлагаемого двигателя позволит существенно оздоровить воздушный бассейн городов и сел и, что не менее важно, упростить технологию переработки нефти и значительно удешевить производство моторного топлива, не требующего ограничений по химическому составу. При этом отпадает надобность в таких энергоемких и технологически сложных каталитических процессах нефтепереработки, как риформинг, изомеризация, алкилирование, гидродепарафинизация и производство этиловой жидкости, других присадок и октаноповышающих компонентов автобензинов.

Предлагаемое устройство может быть использовано также более эффективно в качестве универсального экобезопасного двигателя с двухтактным рабочим циклом, отличающегося от четырехтактного двигателя отсутствием газораспределительного механизма с впускными и выпускными клапанами, выпускной патрубок которого (6а) расположен в корпусе двигателя вблизи НМТ рабочего цилиндра, обеспечивающего существенное снижение габаритов и массы двигателя и повышение его удельной мощности без снижения его топливной экономичности.

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания, используемым в качестве силовых установок во всех видах транспорта - автомобильном, воздушном, железнодорожном, морском и речном, а также в сельскохозяйственных и строительных машинах, электростанциях, мотоциклах, нефтяной и газовой промышленностях и других гражданских и военных отраслях народного хозяйства во всех странах мира. Технический результат заключается в возможности создания простого по конструкции устройства экологически безопасного и топливно-универсального двигателя с высокой удельной мощностью и низким удельным расходом топлива широкого фракционного состава без ограничений его детонационной стойкости и цетанового числа. Устройство содержит поршневой нагнетатель воздуха двойного действия, который обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания во всех тактах рабочего цикла двигателя. Поршень нагнетателя воздуха расположен соосно с рабочим поршнем в одном общем цилиндре и жестко соединен с ним штоком. В двигателе перед концом такта сжатия впрыскивается топливо, не имеющее ограничений по детонационной стойкости и цетановому числу, с образованием богатой топливовоздушной смеси, которая воспламеняется от свечи зажигания и полностью сгорает без детонации и образования токсичных газов при непрерывной подаче в камеру сгорания сжатого воздуха. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство поршневого двигателя внутреннего сгорания с четырехтактным рабочим циклом, содержащее цилиндр, поршень, камеру сгорания, шатун, коленчатый вал, картер, маховик, газораспределительный механизм, свечу зажигания, нагнетатель воздуха, системы подачи топлива, электрообеспечения, смазки, пуска и охлаждения, отличающееся тем, что устройство содержит поршневой нагнетатель воздуха двойного действия, обеспечивающий подачу воздуха в камеру сгорания двигателя во всех тактах его рабочего цикла.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочий поршень и поршень нагнетателя воздуха расположены соосно в одном общем цилиндре и жестко соединены между собой штоком, а камеры нагнетателя воздуха двойного действия разделены друг от друга перегородкой.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нагретый в камере от адиабатического сжатия воздух впрыскивается топливо перед концом такта сжатия двигателя с образованием богатой топливо-воздушной смеси, которая воспламеняется от свечи зажигания и полностью сгорает без детонации и образования токсичных газов при подаче в камеру сгорания сжатого нагнетателем воздуха.

Устройство по п.1, отличающееся тем, что в нем используется гидроочищенное топливо широкого фракционного состава без ограничений его детонационной стойкости и цетанового числа.