ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДИЗЕЛЬ "БАКАНЬ" Российский патент 2008 года по МПК F02B75/30 F02B33/02 F02G3/02 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, к стационарным и передвижным ДВС, в частности к усовершенствованию дизеля «БАКАНЬ» патент РФ №2002081, РФ №2164302.

Известен поршневой двигатель внутреннего сгорания - дизель «БАКАНЬ», содержащий, по меньшей мере, пару коаксиально сблокированных цилиндров «труба в трубе» на общей геометрической оси. Центральный цилиндр является рабочим, а периферийный - компрессорным. Каждый цилиндр содержит соответствующий поршень, имеющий возможность несинхронного возвратно-поступательного движения, обеспеченного различными приводами от общего кривошипа коленчатого вала. Привод периферийного поршня от коленчатого вала (далее KB) обеспечивается посредством двух симметрично установленных по отношению к этому поршню шатунов. Внутренняя перегородка между цилиндрами кругообразная переменного сечения содержит пустоты (типа рубашки) водяного охлаждения.

В головке цилиндров размещен фазовый газораспределитель с приводом синхронного вращения от KB, содержащий газоходы, отсекаемую камеру сгорания (далее КС) и перепускные окна. В полости отсеченной КС перемещается внутренний поршень, способный оперативно изменять степень сжатия до эффекта самовозгорания топливовоздушной смеси.

Дизель «Бакань» работает по 5-тактному рабочему циклу (всос, сжатие, рабочий ход, дожатие, выпуск) за 1 оборот коленчатого вала.

Рабочий цикл протекает в 3-х конструктивных объемах (центральный поршень, периферийный поршень, камера сгорания) одновременно-параллельно. При этом такт «всос» выполняет периферийный поршень при перемещении из положения ВМТ к НМТ. Впуск воздушной массы протекает через газораспределитель (впускной патрубок + перепускной канал + перепускное окно в крышке цилиндров). Живые сечения для перепусков воздуха ограничены конструктивными возможностями, что препятствует решению проблемы снижения сопротивления воздушному потоку и увеличению его плотности.

Однако конструктивные решения ДВС дизеля «БАКАНЬ» недостаточно совершенны, чтобы обеспечить рабочему процессу двигателя способность задавать рабочему ходу постоянное и избыточное количество воздушной массы для эффективности сгорания топливного заряда.

Также имеют место значительные потери плотности воздуха в конце процесса «всос» (впуск).

Цель изобретения:

- улучшить параметры процесса «всоса» рабочего цикла дизеля «БАКАНЬ» без применения эффекта «турбонаддува» с первого оборота коленчатого вала;

- увеличить в 2-2,5 раза литровый объем воздуха для сгорания топливного заряда при выполнении «рабочего хода»;

- увеличить плотность воздушной массы в конце процесса «всос» до величины 0,9-0,95 кг/м³.

Согласно изобретению дизельный двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, пару цилиндров, сблокированных «труба в трубе», центральный из которых является рабочим, а периферийный - компрессорным. Поршни двигателя связаны с общим коленчатым валом и совершают возвратно-поступательное движение в указанных цилиндрах. Двигатель также содержит фазовый газораспределитель, размещенный в головке цилиндров, имеющий привод синхронного вращения от коленчатого вала и содержащий газоходы, отсекаемую камеру сгорания и перепускные окна. В полости отсеченной камеры сгорания перемещается внутренний поршень, способный оперативно изменять степень сжатия до эффекта самовозгорания топливовоздушной смеси. Поршни компрессорного и рабочего цилиндров обеспечены различными приводами от общего коленчатого вала с возможностью несинхронного перемещения. Привод периферийного поршня от коленчатого вала обеспечивается посредством двух симметрично установленных по отношению к этому поршню шатунов. При этом геометрическая ось периферийного цилиндра смещена в сторону камеры сгорания. Центральный (кругообразный) и периферийный (кольцеобразный) поршни сблокированы между собой по принципу «матрешки» и имеют два участка контактного скольжения (с уплотнением) по стенкам соответствующих цилиндров и между поршнями. В процессе «всос» воздушный поток поступает в двигатель через систему неприводных клапанов одностороннего действия (типа «ниппель»).

Таким образом поставленная цель достигается тем, что в конструкцию дизеля «БАКАНЬ» внесены дополнительно (известные и новые) конструктивные решения и детали, связанные между собой рациональным кинематическим взаимодействием, способные обеспечить работоспособность 5-тактного рабочего цикла:

а) Геометрическая ось периферийного цилиндра смещена в сторону КС на max а мм.

б) Центральный (кругообразный) и периферийный (кольцеобразный) поршни сблокированы между собой по принципу «матрешки», центральный поршень вложен в кольцеобразную полость периферийного поршня. При этом поршневые фартуки центрального и периферийного поршня имеют по два конструктивных участка контактного скольжения с уплотнением. Верхние участки для скольжения в соответствующих цилиндрах. Нижние участки для контактного скольжения между поршнями. При этом уплотнительные кольца установлены на центральном поршне с контактным скольжением внутри цилиндра, образованного внутренней поверхностью на нижнем участке поршневого клапана периферийного поршня.

в) Воздушный поток в процессе «всос» протекает через систему неприводных клапанов одностороннего действия (типа «ниппель») в количестве n-штук, достаточным, чтобы минимизировать сопротивление потоку и добиться плотности воздуха, близкой к единице в конце процесса «всос».

Система неприводных клапанов размещена в образовавшемся широком сегменте крышки периферийного поршня и на внешней поверхности периметра периферийного цилиндра на уровне ниже поршневого фартука в положении НМТ.

Теперь процесс «всос» рабочего цикла двигателя получил новые возможности и параметр продукта - объем воздушной массы цикла увеличился в 2-2,5 раза с плотностью воздуха, близкой к единице.

В выполнении процесса «всос» участвуют оба поршня за один оборот КВ.

Известно, что увеличение весового наполнения и плотности воздушной массы в рабочем процессе двигателя приводят к увеличению индикаторного давления цикла, что однозначно увеличит КПД, мощность двигателя и уменьшит расход топлива. Сгорание топливного заряда в постоянной, избыточной воздушной среде улучшит экологичность отработавших газов.

Предлагаемые конструктивные решения поясняются чертежами, на которых изображено следующее:

на фиг.1 - продольный разрез дизеля в положении НМТ для периферийного поршня;

на фиг.2 - продольный разрез дизеля в положении ВМТ для периферийного поршня;

на фиг.3 - поперечный разрез по цилиндрам;

на фиг.4 - поперечный разрез газораспределителя по КС;

на фиг.5 - фрагмент KB с развернутой шейкой кривошипа;

на фиг.6 - диаграммы фазового газораспределения.

Двигатель «БАКАНЬ» включает по меньшей мере одну пару сблокированных «труба в трубе» цилиндров 1 и 2 с размещенными в них центральным 3 и периферийным 4 поршнями. Геометрическая ось периферийного цилиндра 2 смещена параллельно в сторону КС 8 на max 3 мм. Указанное размещение цилиндров 1, 2 и независимую работу термодинамических процессов обеспечивает кольцеобразная внутренняя перегородка 24 между цилиндрами.

Перегородка 24 размещена внутри блокировки под крышкой цилиндров. Геометрическая ось кольцеобразной перегородки 24 принадлежит геометрической оси центрального цилиндра 1. Поверхность кольца образована двумя функциональными поверхностями:

а) внутренняя поверхность принадлежит собственно центральному цилиндру 1;

б) внешняя поверхность кольца переменного сечения в виде перевернутого усеченного конуса выполняет функцию рубашки водяного охлаждения 22 и не имеет контактного скольжения.

На внешней поверхности периферийного цилиндра 2 по периметру окружности на отметке уровня ниже фартука в положении НМТ расположен ряд неприводных воздухозаборных клапанов типа «ниппель» 20а.

Центральный цилиндр 1 состоит из стационарной и подвижной частей. Стационарная часть образована внутренней поверхностью кольцеобразной перегородки 24 между цилиндрами. Подвижная часть - продолжение центрального цилиндра 1 в нижней части фартука периферийного поршня 4. Периферийный поршень 4 конструктивно нетрадиционной (сложной) конфигурации по вертикальной и горизонтальной осям. Крышка поршня кольцеобразного вида, образованная эксцентричными (на а мм) окружностями. В широком сегменте кольцеобразной крышки расположены неприводные клапаны 20б типа «ниппель». По периметрам кольцеобразующих окружностей образованы поршневые фартуки. По периметру большой окружности - короткий фартук 4а, достаточный для установки уплотнительных и маслосъемных колец с возможностью выполнять контактное скольжение в цилиндре 2. По периметру меньшей окружности - удлиненный фартук 4б на всю конструктивную высоту поршня. Удлиненный фартук 4б содержит две части, выполняющие функции различного назначения. Верхняя часть фартука 4б обхватывает внешнюю поверхность внутренней перегородки 22, повторяя ее конфигурацию. При этом близко спряженные поверхности не имеют контактного скольжения. Нижняя часть фартука 4б образует продолжение объема центрального цилиндра 1 с возможностью выполнять контактное скольжение с центральным поршнем 3.

Геометрическая ось фартука 4б принадлежит геометрической оси центрального цилиндра 1. Поршень меньшего размера вложен в поршень большего размера с возможностью несинхронного возвратно-поступательного движения, обеспеченного различными приводами от общего кривошипа 19 коленчатого вала. Привод периферийного поршня от коленчатого вала обеспечивается посредством двух симметрично установленных по отношению друг к другу шатунов 13а и 13б.

Центральный поршень 3 - известной конфигурации: цилиндр, глухая крышка, палец для посадки на шатун. В верхней и нижней частях удлиненного поршневого фартука размещены уплотнительные и маслосъемные кольца. Геометрическая ось центрального поршня 3 принадлежит геометрической оси центрального цилиндра 1. Таким образом, поршни 3, 4 сблокированы по принципу «матрешки».

Коленчатый вал для пары цилиндров 1, 2 с поршнями 3, 4, взаимодействующими по принципу «матрешки», содержит кривошип 19 для размещения трех опорных шеек: одна в центре, две симметрично по краям 18а, б.

При этом:

а) опорные шейки 18а и 18б выведены из общей плоскости кривошипа 19 на а град. (напр. а=35-37 град.);

б) радиус вращения опорных шеек 18а, 18б увеличен в 1,3-1,4 раза;

в) все шейки кривошипа 19 связаны между собой конструктивно коленами и образуют жесткую конструкцию КВ.

В головке цилиндров, на общей крышке, установлен (лежит) цилиндрический корпус газораспределителя 5. В полости цилиндра контактно скользят фигурные детали камеры сгорания 8 и газохода 7 с приводом синхронного вращения от КВ. Геометрические оси трех цилиндров 1, 2, 5 лежат в одной плоскости. Детали фигур 7, 8, способные вращаться, изготавливают литыми. Толщина стенок и площади контактного скольжения определяются при конструировании. Свободные пазухи между деталями 7, 8 и стенками цилиндра газораспределителя 5 заполнены охлаждающей жидкостью (напр., смазочное масло). Детали вращения 7, 8 имеют возможность периодически в зависимости от чередования тактов, сообщаться с цилиндрами 1, 2 и выпускать газы через перепускные окна 15, 16 в крышке цилиндров.

В полости камеры сгорания перемещается внутренний дожимающий поршень 9 с толкателем и приводом контактного скольжения сменных кулачков 11. Дожимающий поршень 9 выполнен (по конструктивным соображениям) в виде двух мини-поршней известной конфигурации, посаженных на общий толкатель. Поступательное перемещение толкателя обеспечивает привод контактного скольжения от кулачка 11. На крышках поршней 9 прикреплены съемные фигурные детали стабилизаторов 25 рабочего объема полости камеры сгорания 8. Физический объем стабилизаторов 25 определяется расчетом из условия: конструктивный объем полости КС, минус расчетный объем КС. Уменьшая (стачивая) или увеличивая (наплавляя) объем стабилизаторов, достигаются стабильные условия процесса дизельного самовозгорания горючей смеси в процессе «дожатия». Величина хода перемещения дожимающего поршня 9 постоянная для всех режимов «дожатия», отличие только в фазах «наезда» (отставания-опережения) сменных кулачков 11 на толкатель дожимающего поршня. При этом момент дизельного самовозгорания топлива (начало горения) происходит одномоментно с открыванием камеры сгорания на «рабочий ход». Использовано известное механическое устройство 21 шаговой смены кулачков-толкателей с приводом от соленоидной катушки постоянного электротока с шариковым фиксатором.

Теперь дизель «БАКАНЬ» способен работать по 5-тактному рабочему циклу: «всос», «сжатие», «дожатие», «рабочий ход», «выпуск» за один оборот КВ. Все термодинамические процессы протекают одновременно-паралельно в трех рабочих объемах:

а) в отсеченной камере сгорания;

в) в «центральном рабочем» цилиндре;

с) в периферийном цилиндре (компрессоре).

Диаграммы фазового газораспределителя по трем рабочим объемам цикла изображены на фиг.6 (а, b, с). С соотношением рабочих объемов соответственно: 2,0:0,35:1,0, где единица соответствует рабочему объему центрального цилиндра.

Фазовая продолжительность тактов оптимальна:

«всос» - ϕ=360 град. пов. KB

«сжатие» - ϕ=180 град. пов. KB

«дожатие» - ϕ=70 град. пов. KB

«рабочий ход» - ϕ=145 град. пов. KB

«выпуск» - ϕ=190 град. пов. KB

Цикл дизеля «БАКАНЬ» работает по следующим тактным процессам.

Такт 1й - «всос» (от α=145-325/360 - 145 град цикла продолжительностью ϕ=360 град. пов. KB) весовой объем воздушной массы для сгорания топливного заряда обеспечивают центральный и периферийный поршни при перемещении одновременно, параллельно от НМТ к ВМТ, далее НМТ. Рабочий объем компрессора 2-2,5 «единицы». «Всос» (1-я фаза ϕ=180 град. пов KB) воздушной массы начинается в положении НМТ для периферийного 4 и центрального 3 поршней. При перемещении поршней к ВМТ открываются внешние впускные клапаны 20а и очищенная воздушная масса всасывается в подпоршневое пространство. При этом картер герметичен. При перемещении поршней из ВМТ к НМТ (2-я фаза ϕ=325-145 град. цикла) подпрессованная движением поршней 3, 4 воздушная масса перетекает из подпорпшевого пространства в рабочий объем периферийного цилиндра 2 через группу клапанов 20б, установленных в широком сегменте крышки периферийного поршня 4. Варьируя количеством клапанов 20а и 20б, обеспечиваем «живое» сечение воздухопроточности, необходимое для оптимальных условий протекания процесса засасывания воздушной массы с минимальными потерями, когда плотность воздушной массы в начале «всоса» (перед клапаном 20а) и в конце «всоса» (за клапаном 20б) становятся близкими по величине (напр. ρ=0,9-0,95 кг/м³).

Таким образом, после выполнения 2-х фаз такта «всос» за один оборот коленчатого вала рабочий объем периферийного цилиндра 2 (он же компрессор) заполнен воздушной массой в количестве 2-2,5 ед. объема цикла, с плотностью близкой к 1, и периферийный поршень 2 готов к выполнению такта «сжатие».

Такт 2-й - «сжатие» (от α=145-325 град. цикла продолжительностью ϕ=180 град. пов. KB) совершается периферийным поршнем 4 при перемещении из НМТ к ВМТ, ведомый независимым приводом 13а и 13б поршень сжимает воздушную массу (в количестве 2-2,5 ед. цикла) через перепускное окно 16 в камеру сгорания. Камера сгорания открыта по отношению к цилиндру 2. В этот момент в камеру сгорания начнется впрыск топлива навстречу воздушному потоку. Одновременно параллельно рабочий поршень 3 выполнит выпуск отработавших газов. При этом оба поршня выполняют засасывание воздушной массы в подпоршневое пространство (1-я фаза «всоса»).

Такт 3-й - «дожатие» (от α=325-35 град. цикла продолжительностью ϕ=70 град. пов. KB). Рабочий объем КС - 0,35 «единиц». КС 8 находится в отсеченном положении к цилиндрам 1, 2. КС 8 заполнена топливно-воздушной смесью до степени сжатия 1:7. Внутренний поршень 9, расположенный в полости КС 8, начинает движение под воздействием кулачка 11, контактирующего с толкателем поршня 9, и сокращает рабочий объем КС 8, дожимает горючую смесь до степени дизельного самовозгорания (начало горения). Одномоментно КС 8 открывается к цилиндру 1. Через перепускное окно 15 горючие газы перетекают в рабочий объем цилиндра 1 на «рабочий ход». Параметры поступательному перемещению дожимающего поршня (момент начала движения, величина хода поршня, момент самовозгорания горючей смеси) задает один (из ряда 3-4 шт.) кулачок-толкатель 11 с приводом синхронного вращения от КВ. Каждый кулачок имеет расчетную, для определенного типа горючего, конфигурацию контактного скольжения на толкатель дожимающего поршня 9. При смене типа топлива устанавливается другой кулачок-толкатель с помощью устройства 21 шаговой системы смены кулачков.

Такт 4-й - «рабочий ход» (от α=35-180 град. цикла продолжительностью ϕ=145 град. пов. KB) выполняет рабочий цилиндр с объемом, равным 1 (единичный объем). Камера сгорания заполнена дожатыми газами до степени дизельного самовозгорания (начало горения) и на 35 град. цикла открывается к рабочему цилиндру 1. Газы вытекают через перепускное окно 15 из камеры сгорания на «рабочий ход» в цилиндр 1 над поршнем 3, продолжая сгорать и расширяться. Перетекание горящих газов начинается, когда центральный рабочий поршень 3 перешел через ВМТ и переместился к НМТ на ϕ=35 град. цикла, когда крутящий момент кривошипа KB близок к наибольшему. Одновременно параллельно произойдет перепуск воздушной массы из подпоршневого пространства в рабочий объем компрессора (2-я фаза «всоса»).

Такт 5 - «выпуск» (от α=170/360 град. цикла с продолжительностью ϕ=190 град. пов. KB) отработавших газов выполняет рабочий поршень 3, двигаясь от НМТ к ВМТ. Не доходя поршнем 3 до НМТ 10 град. пов. KB, открывается перепускное окно 15 и начинается (α=170 град цикла) выпуск отработавших газов по газоходу 7 через выпускной патрубок 14. Камера сгорания и перепускной газоход 7, ведомые приводом 6, вращаются внутри фазового газораспределителя 5 синхронно с оборотами KB, периодически находятся в отсеченном или открытом состоянии по отношению к цилиндрам 1, 2 в зависимости от чередования тактов рабочего цикла (смотри фиг.6). Так камера сгорания за один оборот KB дважды открывается и дважды отсекается по отношению к цилиндрам 1, 2. Первое открывание камеры сгорания к цилиндру 2 (от α=215-325 град. цикла продолжительностью ϕ=110 град. пов. KB) через перепускное окно 16 для выполнения такта «сжатие». Второе открывание камеры сгорания к цилиндру 1 (от α=35-145 град. цикла с продолжительностью ϕ=110 град. пов. KB) через перепускное окно 15 для выполнения такта «рабочий ход».

Первое отсечение камеры сгорания по отношению к обоим цилиндрам 1, 2 (от α=325-35 град цикла с продолжительностью ϕ=70 град. пов. KB) для выполнения такта «дожатие». Второе отсечение камеры сгорания, по отношению к обоим цилиндрам 1, 2 (от α=145-215 град. цикла с продолжительностью ϕ=70 град. пов. KB) для выполнения такта «выпуск».

При этом перепускные окна 15, 16 и выпускной патрубок 14 перекрыты телом газораспределителя 5. Перепускной газоход 7 только однажды открывается к цилиндру 1 на такте «выпуск» для выпуска отработавших газов через перепускное окно 15 и патрубок 14.

Продолжительность пропуска газов через перепускной газоход 7 (ϕ=190 град. пов. KB).

Таким образом, дизель «БАКАНЬ» выполнил пять тактов за один оборот коленчатого вала с новыми возможностями и условиями рабочего процесса. Так рабочий цикл дизеля за один оборот коленчатого вала способен выполнить:

а) рабочий ход;

б) задать рабочему ходу 2-2,5-кратное наполнение воздушной массой;

в) увеличить плотность воздушной массы в конце такта «всос» до величины 0,9-0,95 кг/м³;

г) исключить из процесса сгорания в рабочем ходе присутствие отработавших газов;

д) оперативно устанавливать степень сжатия в отсеченной камере сгорания до степени дизельного самовозгорания горючей смеси для многих топлив.

Реализация предложенного рабочего цикла дизеля «БАКАНЬ» обеспечит значительное улучшение экономических показателей поршневых ДВС. Улучшились все индикаторные показатели рабочего цикла ДВС:

- среднее эффективное давление цикла увеличилось в 2,3 раза;

- индикаторный КПД увеличился на 7,8%;

- снижен расход топлива на 21%;

- литровая мощность увеличилась в 4,6 раза;

- удельный вес двигателя (габариты) уменьшается в 1,5-1,8 раза.

Сгорание топливного заряда в постоянно избыточной воздушной среде улучшит экологичность отработавших газов.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в улучшении экономических, мощностных и экологических показателей двигателя. Согласно изобретению двигатель содержит рабочий и компрессорный цилиндры, сблокированные один в другом, а также отсекаемую камеру сгорания. Геометрическая ось периферийного компрессорного цилиндра смещена по отношению к оси рабочего цилиндра в сторону камеры сгорания. Поршни двигателя с возможностью несинхронного перемещения связаны с общим коленчатым валом, который также обеспечивает привод синхронного вращения фазового газораспределителя, размещенного в головке цилиндров. Во вращающемся фазовом газораспределителе размещены отсекаемая камера сгорания, газоходы и перепускные окна. При этом в полости отсеченной камеры сгорания перемещается внутренний поршень, способный оперативно изменять степень сжатия до эффекта самовозгорания топливовоздушной смеси. В процессе наполнения воздух поступает в двигатель через систему неприводных клапанов одностороннего действия. 6 ил.

Дизельный двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, пару цилиндров, сблокированных "труба в трубе", центральный из которых является рабочим, а периферийный - компрессорным, поршни, связанные с общим коленчатым валом и совершающие возвратно-поступательное движение в указанных цилиндрах, и фазовый газораспределитель, размещенный в головке цилиндров, имеющий привод синхронного вращения от коленчатого вала и содержащий газоходы, отсекаемую камеру сгорания и перепускные окна, в полости отсеченной камеры сгорания перемещается внутренний поршень, способный оперативно изменять степень сжатия до эффекта самовозгорания топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что поршни компрессорного и рабочего цилиндров обеспечены различными приводами от общего коленчатого вала с возможностью несинхронного перемещения, привод периферийного поршня от коленчатого вала обеспечивается посредством двух симметрично установленных, по отношению к этому поршню, шатунов, при этом геометрическая ось периферийного цилиндра смещена в сторону камеры сгорания, центральный (кругообразный) и периферийный (кольцеобразный) поршни сблокированы между собой по принципу "матрешки" и имеют два участка контактного скольжения (с уплотнением) по стенкам соответствующих цилиндров и между поршнями, в процессе "всос" воздушный поток поступает в двигатель через систему неприводных клапанов одностороннего действия (типа "ниппель").