ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС) БЕСШАТУННЫЙ, ДЕТОНИРУЮЩИЙ Российский патент 2006 года по МПК F02B41/00 F02B75/32 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано для выполнения функции преобразования энергии жидкого, газообразного и частично твердого топлива в виде порошка в механическую энергию.

Известен ДВС, работающий с детонацией, в камеру сжатия которого через крышку введен болт, изменяющий объем камеры сжатия посредством регулирующего устройства, выполненного в виде калиброванных шайб, подбираемых и устанавливаемых под болт в зависимости от вида и сорта топлива для создания в камере сжатия при достижении поршнем ВМТ давления, достаточного для детонации ее инициирующим детонацию устройством, выполненным в виде поршенька, связанного с кулачками распредвала. Для защиты подшипников от ударного давления между днищем поршня и коленвалом установлены упругие элементы. Этот тип ДВС описан в заявке на патент РФ №2002109147/06 от 08.04.2002, опубл. 27.05.2004 в БИ №0415.

Однако в этом двигателе при больших скоростях, а этот тип двигателя предполагает работу именно при больших скоростях, возникают трудности с балансировкой несимметричного коленвала.

Другой недостаток связан с затруднениями при запуске двигателя, а также в работе при резко изменяющихся условиях, связанных с составом топлива, температурой и т.п. факторами, приводящих к срыву детонации или несвоевременному ее появлению.

Третий недостаток связан с высокой температурой, возникающей в момент детонации, достигающей значения до 3000°С, вызывающей перегрев элементов камеры сжатия и ухудшающей их прочностные характеристики, например перегрев головки поршня и клапанов.

Четвертый недостаток - это малый диапазон изменений скорости вращения вала, при котором будут отсутствовать рывки поршня и толкателя относительно друг друга, вызванные разностью частот вращения вала и частоты колебаний системы, образованной массой поршня и пружиной, в моменты времени начала и окончания движений поршня и шатуна относительно друг друга.

После детонации поршень начинает двигаться с нарастающей скоростью до тех пор, пока давление газов в цилиндре не сравняется с нарастающим противодействием пружины, а затем происходит замедление скорости его движения до момента времени, когда кинетическая энергия движения и остаточное давление газов не будут израсходованы на потенциальную энергию пружины, тогда поршень останавливается и начинает движение назад в исходное положение при условии, если толкатель находится неподвижно или движется со значительно меньшей скоростью, чем поршень.

Для сокращения хода поршня после детонации желательно иметь упругий элемент с нелинейной характеристикой, когда жесткость возрастает с увеличением деформации.

Известен бесшатунный ДВС, на валу которого установлен многолепестковый, кратный трем, кулачок с пластинами толкателя, охватывающими его и скрепленными между собой. Между пластинами толкателя закреплен упругий вал-ролик, сопрягающийся с натягом с кулачком и катящийся по его поверхности. Пластины толкателя удерживаются и скользят по направляющим, закрепленным на крышках картера.

Однако здесь трудно согласовать достаточную гибкость вала-ролика при сборке и жесткость в работе, а также невозможна остановка поршня в ВМТ в заданном секторе угла поворота кулачка. Этот тип ДВС описан в патенте РФ №2205999 С1, МПК F 16 Н 25/14, опубл. 10.06.2003. Указанный тип ДВС принят за прототип.

Техническая задача изобретения: увеличить диапазон изменений скорости вращения вала, при котором будут отсутствовать недопустимые рывки поршня и толкателя, обеспечить устойчивую детонацию в требуемый момент времени, исключить в принципе дисбаланс вала, исключить перегрев металла элементов в камере сжатия, использовать энергию воды и частично твердого топлива в виде порошка, облегчить вес двигателя.

Указанная техническая задача решается в ДВС, содержащем вал с установленным на нем многолепестковым, кратным трем, кулачком, толкатель, пластины которого охватывают кулачок и скреплены между собой, а также упругий вал-ролик, закрепленный между пластинами толкателя, сопрягающийся с натягом с многолепестковым кулачком и катящийся по его поверхности. Пластины толкателя удерживаются и скользят по направляющим, закрепленным на крышках картера. ДВС также снабжен инерционным регулирующим устройством (РУ), блоком управления, форсункой и инициирующим детонацию устройством. При этом РУ выполнено, например, в виде электропривода с редуктором и связано с поршеньком, введенным через крышку КС и изменяющим объем КС. Блок управления связан с датчиком контроля положения поршня в ВМТ и с датчиком детонации, выполненным в виде магнитострикционного преобразователя (МП). Форсунка связана с насосом высокого давления (НВД). Инициирующее детонацию устройство выполнено, например, в виде МП, катушка которого связана с прерывателем-распределителем, находящимся на распредвале. Распредвал в свою очередь связан с валом, на котором укреплен многолепестковый кулачок, очерченный по заданной кривой и сопрягающийся с роликом, ось которого выполнена с переменным сечением и скрепляет пластины толкателя. Кроме того, пластины толкателя скреплены с фасонной шайбой, а между фасонной шайбой и днищем поршня установлен упругий элемент, например коническая пружина, стянутая шпилькой с креплением на конце, который имеет возможность свободного перемещения между пластинами толкателя.

Блок управления связан с датчиками, элементы логики которых по заданному алгоритму и заданной схеме связаны с инерционным РУ, который поддерживает давление в КС с момента достижения поршнем ВМТ, достаточное для детонации горючей смеси инициирующим детонацию устройством, связанным с прерывателем-распределителем: при максимальной скорости вращения вала - с момента достижения поршнем ВМТ, а при минимально допустимой скорости - в момент начала движения толкателя вниз.

Многолепестковый кулачок, кратный трем, например трехлепестковый, выполнен по кривой, очерченной в секторе угла поворота кулачка в 30 градусов по уравнению:

R=r₁+(r₁-r)×sin kα, где

k - коэффициент, кратный трем, в данном случае k=6,

r₁ - радиус перегиба кулачка,

r - минимальный радиус кулачка;

а другие участки кулачка в секторах угла его поворота по 30 градусов выполнены радиусами R_max и R_min, в которых поршень удерживается соответственно в ВМТ и в НМТ неподвижно.

Ось ролика имеет переменное сечение, выполненное путем поперечного разреза-канавки заданного размера и формы в зоне сжатия материала оси, стенки которой смыкаются при усилии на толкатель не более усилия, возникающего в КС перед детонацией.

НВД связан с распредвалом, педалью газа и форсункой, через которую впрыскивается водная смесь-эмульсия с катализатором в моменты времени между фазами выхлопа и всасывания, а затем горючее - между фазами всасывания и сжатия.

Водная смесь-эмульсия, впрыскиваемая в КС через форсунку, содержит катализатор, частично разлагающий воду на кислород и водород при высокой температуре при детонации.

При этом в состав водной смеси входят, например, такие вещества с каталитическими свойствами, как каменноугольный порошок заданной фракции.

В состав покрытия элементов в КС также входят материалы с каталитическими свойствами, например углеродосодержащие вещества, например чугун.

При нахождении поршня в ВМТ инициирование детонации осуществляется в момент, зависящий от скорости вращения вала, а именно: при максимальной скорости детонация запускается в момент времени, когда поршень достигает ВМТ, а при минимально допустимой скорости детонация происходит в начале движения поршня вниз и это дает возможность увеличить диапазон изменений скорости вращения вала не менее чем в 2 раза, сохраняя синхронность колебаний поршня и толкателя относительно друг друга.

Устойчивость детонации достигается путем достаточно быстрого изменения объема КС с помощью РУ инерционного типа, выполненного, например, на основе электропривода с редуктором и связанного с поршеньком, введенным через крышку КС. РУ получает команды от блока управления, связанного с датчиком детонации и датчиком контроля положения поршня в области ВМТ, элементы логики которых, например контакты (в контактном варианте), по заданному алгоритму и заданной схеме связаны с инерционным РУ для поддержания в КС давления, достаточного для инициирования детонации с момента достижения поршнем ВМТ.

Так, например, при отсутствии детонации при нахождении поршня в ВМТ электропривод включается, и поршенек уменьшает объем КС, благодаря чему в определенный момент создается условие для возникновения детонации от воздействия инициирующим детонацию устройством, и тогда электропривод выключается. Если же детонация возникает до прихода поршня в ВМТ, а это фиксируется датчиком контроля положения поршня в ВМТ, связанным с распредвалом, то выдается команда на электропривод для обратного вращения и увеличения объема КС. Электропривод выключается, как только поршень достигает ВМТ, а детонация продолжается.

Инициирующими детонацию устройствами в зависимости от конструктивных особенностей ДВС могут быть электроискровые свечи, установленные в специальные полости КС, или, например, поршеньки, получающие импульсы от электромагнита, связанного с прерывателем-распределителем. Здесь описывается инициирующее устройство на основе магнитострикционного преобразователя, управляемого прерывателем-распределителем, контролирующим скорость вращения вала, наподобие как в обычном карбюраторном ДВС.

В качестве безынерционного датчика детонации могут служить тензометры или же указанные магнитострикционные преобразователи.

Для компенсации неточности изготовления и износа сопряжения толкателя и кулачка в процессе работы сборка осуществляется через упругий вал-ролик с натягом в пределах упругости вала-ролика.

Здесь, однако, возникают трудности, связанные с требованием достаточной гибкости при сборке и достаточной жесткости при максимальных усилиях на толкатель, возникающих в процессе рабочего хода. Решение проблемы облегчается тем, что вал заменяется роликом, установленным на ось с переменным сечением, что достигается путем поперечного разреза-канавки заданного размера и формы по обе стороны от ролика в зоне сжатия материала оси. При этом стенки канавки смыкаются при усилии на пластины толкателя, скрепленные между собой этой осью, не более усилия, возникающего в КС перед детонацией. При смыкании стенок канавки, расположенных в зоне сжатия оси, резко возрастает жесткость оси, работающей как балка с консолями на концах от ролика, т.к. это равносильно увеличению сечения балки. Жесткость дополнительно можно повысить закалкой стенок канавки и заменой средней части между канавками вставкой из более жесткого материала, например чугуна.

В момент детонации температура в КС достигает 3000°С, что может вызвать перегрев металла и резко уменьшить прочностные характеристики, например, тарельчатых клапанов. Впрыскивание водной эмульсии с катализатором в промежутках между фазами выхлопа и всасывания решает несколько проблем, а именно изолирование водяной пленкой поверхностей элементов КС, в том числе и клапанов, от высокой температуры в момент детонации горючей смеси, использование энергии перегретого пара после детонации и возможно энергии кислорода и водорода, возникающей под действием катализатора в условиях высокой температуры, использование энергии твердого топлива в виде порошка угля.

Температура поверхности КС не будет превышать критической температуры воды и поэтому не потребуются сложные системы охлаждения ДВС. Впрыскивание в КС можно осуществлять поэтапно: в начале водную смесь, а затем горючее, например, в части начальной фазы сжатия (в варианте с наддувом воздуха в фазе всасывания).

В качестве одного из видов катализаторов, разлагающих воду на кислород и водород при высокой температуре, предлагается каменноугольный порошок. Этот эффект разложения воды мы наблюдаем, когда сжигается смоченная водой каменноугольная пыль в топках печей, которая горит особенно интенсивно по сравнению с сухой пылью, при наличии высокой температуры и чугунных колосников.

При такой высокой температуре, возникающей в момент детонации, сгорает все, в том числе и уголь, добавляя свою энергию в экологически чистый процесс.

Таким образом, бензин и другие подобные вещества будут служить также и в качестве детонатора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображен в сечении цилиндр (1) с камерой сжатия (2), поршень (3) с установленной между днищем поршня и фасонной шайбой (4) конической пружиной (5), которая сжата шпилькой (6) с креплением на конце шпильки, например, в виде гайки (7). Конец шпильки с креплением перемещается между пластинами толкателя (8), закрепленными с фасонной шайбой. В нижней части пластины (9) толкателя скреплены осью (10) ролика (11), изображенной на фиг.2. Ось по обе стороны от ролика выполнена с разрезом-канавкой (12) в зоне сжатия материала оси. Между канавками может быть расположена вставка (13) из более жесткого материала, например чугуна, работающего только на сжатие.

Через крышку (14) КС (2) введены болт (15) с калиброванными шайбами (16) под ним и поршенек (17), связанный через редуктор (18) с сервоприводом (19), получающим команды от блока управления (20), а также инициирующее детонацию устройство, выполненное в виде магнитострикционного преобразователя (21) с катушкой (22), получающей импульсы напряжения от прерывателя-распределителя (23), контролирующего скорость вращения вала.

Форсунка (24), сообщающаяся с насосом высокого давления, связана с кулачками распредвала (25) аналогично системе питания дизеля, а также с педалью (26) управления подачей топлива.

Трехлепестковый кулачок (27), изображенный на фиг.3, очерчен по кривой, выполненной в секторе угла поворота кулачка в 30 градусов по уравнению: R=r₁+(r₁-r)×sin 6α и с радиусом R_max и R_min в секторах угла поворота по 30 градусов соответственно, где поршень удерживается в ВМТ и в НМТ.

Устройство работает следующим образом. В фазе сжатия поршень (3) достигает ВМТ и в КС давление повышается до значения, весьма близкого к сверхкритическому при положении поршенька (17) в оптимальном положении. В требуемый момент времени, зависящий от скорости вращения вала, инициирующее детонацию устройство, в данном случае магнитострикционный преобразователь (21), под действием электромагнитной катушки (22), увеличивающей объем его стержня, увеличивает давление в КС до сверхкритического значения и горючая смесь детонирует.

Поршень (3) начинает двигаться с нарастающей скоростью до тех пор, пока уменьшающееся давление газов в КС не сравняется с возрастающим противодействием пружины (5), затем скорость поршня относительно толкателя будет уменьшаться до тех пор, когда кинетическая энергия движения и остаточное давление газов в цилиндре будут израсходованы на потенциальную энергию сжатия пружины. Диапазон допустимых скоростей вращения вала, при котором толчки и рывки поршня будут в допустимых пределах, увеличивается в два раза путем регулирования угла запаздывания детонации. Так, например, при максимальной скорости вращения вала импульс на инициирующее детонацию устройство поступает в момент достижения поршнем ВМТ, и пока идет нарастание скорости движения поршня до своего максимального значения, кулачок успевает повернуться на угол не менее 30 градусов, и толкатель приобретает скорость, примерно равную скорости поршня.

При минимально допустимой скорости вращения вала, при которой также отсутствуют недопустимые рывки, импульс на электромагнитную катушку (22) магнитострикционного преобразователя (21) поступает только в момент начала движения толкателя вниз, и толкатель успевает подхватить поршень (3) прежде, чем он начнет движение назад относительно толкателя или, другими словами, в первом приближении, толкатель проходит расстояние от момента детонации не меньше пути, пройденного поршнем до остановки. Сжатая пружина в фазе рабочего хода выпрямляется и отдает энергию толкателю.

При изменении температуры, мощности, развиваемой двигателем, и других факторов может оказаться так, что детонация может возникнуть или до прихода поршня в ВМТ, или же вовсе не возникнуть, т.е. устройство, инициирующее детонацию, не сможет ее вызвать. В этом случае блок управления (20) выдает сигнал на электропривод по вышеописанному алгоритму на включение и вращение в ту или иную сторону и остановку для поддержания устойчивой детонации именно после достижения или нахождения поршня в ВМТ. Диапазон перекрытия для поддержания детонации инерционным РУ должен быть не меньше, чем эффект, вызванный сменой двух калиброванных шайб под болтом, использующийся для грубой регулировки. Диапазон перекрытия для инициирования детонации инициирующим устройством должен быть достаточным для компенсации гистерезиса - неточности срабатывания инерционным РУ, в основном связанный с его инерционностью.

В конце фазы выхлопа и в начале фазы всасывания насос высокого давления подает порцию водной эмульсии в форсунку (24) с тем расчетом, чтобы водяная пленка покрыла все элементы КС, в том числе и выхлопные клапана. В конце фазы всасывания и в начале фазы сжатия происходит впрыскивание горючего в КС (в варианте с наддувом воздуха в фазе всасывания).

Путем изменения количества водной эмульсии, подаваемой водяным насосом высокого давления в КС, в определенных пределах можно изменить уровень критического давления, при котором возникает детонация, и тем самым поддерживать детонацию при изменении мощности, развиваемой двигателем, по аналогии работы топливного насоса высокого давления в системе питания дизеля, и тем самым уменьшить гистерезис инерционного РУ. Для этого количество водной смеси, подаваемой секцией насоса высокого давления к форсунке, регулируется под воздействием педали (26) управления подачи топлива.

Покрытие элементов КС углеродосодержащими материалами с каталитическими свойствами при высокой температуре также способствует разложению воды на кислород и водород, сгоранию их и образованию перегретого водяного пара.

Вместо конической пружины возможно использование оси-балки с нелинейной жесткостью, стенки которой смыкаются при усилии не менее усилия, возникающего в КС перед детонацией.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Технический результат заключается в увеличении диапазона изменений скорости вращения вала, при котором будут отсутствовать недопустимые рывки поршня и толкателя, обеспечении устойчивой детонации в требуемый момент времени, исключении дисбаланса вала и перегрева металла элементов камеры сжатия. Согласно изобретению ДВС содержит вал с установленным на нем многолепестковым кулачком, толкатель, пластины которого охватывают кулачок и скреплены между собой, а также упругий вал-ролик, закрепленный между пластинами толкателя, сопрягающийся с натягом с многолепестковым кулачком и катящийся по его поверхности. Пластины толкателя удерживаются и скользят по направляющим, закрепленным на крышках картера. При этом пластины толкателя скреплены с фасонной шайбой, а между фасонной шайбой и днищем поршня установлен упругий элемент, например коническая пружина, стянутая шпилькой с креплением на конце, имеющим возможность свободного перемещения между пластинами толкателя. ДВС также снабжен регулирующим устройством, которое связано с поршеньком, введенным через крышку камеры сжатия (КС) с возможностью изменения ее объема. В крышке КС также установлена форсунка, связанная с насосом высокого давления, и инициирующее детонацию устройство, выполненное, например, в виде магнитострикционного преобразователя, катушка которого связана с прерывателем-распределителем. В ДВС предусмотрен блок управления, связанный с датчиком контроля положения поршня в ВМТ и с датчиком детонации. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий вал с установленным на нем многолепестковым, кратным трем, кулачком, толкатель, пластины которого охватывают кулачок и скреплены между собой, а также упругий вал-ролик, закрепленный между пластинами толкателя, сопрягающийся с натягом с многолепестковым кулачком и катящийся по его поверхности, пластины толкателя удерживаются и скользят по направляющим, закрепленным на крышках картера, отличающийся тем, что он снабжен инерционным регулирующим устройством (РУ), выполненным, например, в виде электропривода с редуктором, которое связано с поршеньком, введенным через крышку камеры сжатия (КС) и изменяющим объем КС, блоком управления, связанным с датчиком контроля положения поршня в ВМТ и с датчиком детонации, выполненным в виде магнитострикционного преобразователя (МП), форсункой, связанной с насосом высокого давления (НВД), инициирующим детонацию устройством, выполненным, например, в виде МП, катушка которого связана с прерывателем-распределителем, находящимся на распредвале, связанном с валом, на котором укреплен многолепестковый кулачок, очерченный по заданной кривой и сопрягающийся с роликом, ось которого выполнена с переменным сечением и скрепляет пластины толкателя, при этом пластины толкателя скреплены с фасонной шайбой, а между фасонной шайбой и днищем поршня установлен упругий элемент, например, коническая пружина, стянутая шпилькой с креплением на конце, который имеет возможность свободного перемещения между пластинами толкателя.2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что блок управления связан с датчиками, элементы логики которых по заданному алгоритму и заданной схеме связаны с инерционным РУ, который поддерживает давление в КС с момента достижения поршнем ВМТ, достаточное для детонации горючей смеси инициирующим детонацию устройством, связанным с прерывателем-распределителем: при максимальной скорости вращения вала - с момента достижения поршнем ВМТ, а при минимально допустимой скорости - в момент начала движения толкателя вниз.3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что многолепестковый кулачок, кратный трем, например трехлепестковый, выполнен по кривой, очерченной в секторе угла поворота кулачка в 30° по уравнению:

R=r₁+(r₁-r)·sin kα, где

k - коэффициент, кратный трем, в данном случае k=6,

r₁ - радиус перегиба кулачка,

r - минимальный радиус кулачка;

а другие участки кулачка в секторах угла его поворота по 30° выполнены радиусами R_max и R_min, в которых поршень удерживается соответственно в ВМТ и в НМТ неподвижно.