КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ГОРЯГИНА - КДВСГ Российский патент 2009 года по МПК F02G5/04 

Изобретение относится к объектам машиностроения, а именно к комбинированным двигателям внутреннего сгорания карбюраторным и дизеля, используемых в разных отраслях техники, в том числе на автомобилях, морских судах и др.

Известны двигатели внутреннего сгорания, используемые в автомобилях, состоящие из собственно двигателя внутреннего сгорания - далее ДВС - и находящихся с ним в комбинации радиатора для охлаждения воды, циркулирующей в карманах (рубашке) блока цилиндров, и крышки цилиндров с соответствующими устройствами, обеспечивающими циркуляцию воды, просасывание окружающего воздуха через радиатор, а отходящие газы проходят через глушитель [1, с.5, с.115] - прототип.

Аналогично в морских ДВС имеются устройства для охлаждения двигателя забортной водой.

Недостатком указанных комбинированных ДВС - далее КДВС является низкий коэффициент полезного действия - КПД - в связи с большими потерями тепла с отходящими газами и охлаждающей водой. Так, согласно [2, с.26] у карбюраторных КДВС с отходящими газами теряется 28% и с водой 30%, у КДВС дизеля, соответственно, 16,3% и 33,7% тепла сгорания топлива.

Для уменьшения этого недостатка у некоторых конструкций КДВС на железнодорожном транспорте отходящие газы вращают газовую турбину, которая приводит в действие компрессор, производящий наддув поступающего воздуха в КДВС [3, с.21; 1, с.7].

У судовых ДВС отходящие газы поступают в котел, который подогревает воду, используемую в бытовых целях команды судна, в том числе бытовая горячая вода, душ и ванна, отопление помещений [4, с.438]. Однако об использовании тепла, уходящего с водой, охлаждающей КДВС, в имеющихся литературных источниках ничего не содержится и о фактически существующих двигателях такого типа ничего неизвестно.

Задачей данного изобретения является повышенное КПД установки и тем самым уменьшение расхода топлива при неизменной мощности КДВС или, что является вариантом, повышение мощности КДВС при сохранении расхода топлива.

Поставленная задача решается таким образом. В известном КДВС, состоящем из блока цилиндров и его крышки с их каналами для прохождения по ним охлаждающей жидкости (в частности, например, воды), коленчатого вала с поршневой группой, распределительного вала с системой клапанов, системы подачи топлива, включающей в себя обеспечение его поджигания, радиатор для охлаждения воды и глушитель, устройства подачи воздуха (в том числе возможно с наддувом), в состав КДВС дополнительно включаются: блок паровой машины, состоящий по меньшей мере из одного цилиндра с крышкой, сидящий на одном коленчатом валу с ДВС и имеющий систему клапанов и систему их распределительного вала, совмещенную с системой клапанов ДВС; паровой котел и пароперегреватель, при этом радиатор преобразуется в конденсатор и связан трубой, на которой установлен насос высокого давления, с каналами блока и крышки цилиндров; каналы блока и крышки связаны трубой с котлом и далее пароперегревателем; пароперегреватель через систему клапанов паровой машины связан трубой с паровой машиной; паровая машина через систему клапанов связана трубой с конденсатором, а выхлопная труба ДВС связана трубой с пароперегревателем и далее котлом (в том числе, возможно газовой турбиной), откуда выходит в окружающую среду. (Следует отметить, что вакуум в конденсаторе поддерживается отсасывающим насосом).

Поставленная задача решается также тем, что на паровой машине установлена емкость, соединенная с входным и выходным клапанами паровой машина через краны с автоматическим их открыванием и закрыванием.

Поставленная задача решается также тем, что рабочей жидкостью в теплое время года является вода, а в холодное жидкость, не замерзающая при отрицательной температуре [5, с.123], при этом зона образования неиспаряющейся части раствора, образующаяся в котле перед пароперегревателем, связана трубой с конденсатором через редукционный клапан.

Поставленная задача решается также тем, что управление насосом высокого давления и кранами соединения с емкостью осуществляется системой автоматики в зависимости от величины давления в системе циркуляции жидкости и уровня расположения жидкости в котле и конденсаторе и путем подсоединения насоса к валу двигателя посредством муфты сцепления.

Более подробно суть изобретения поясняется фиг.1-3:

фиг.1 - принципиальная схема размещения и взаимной связи элементов КДВСГ;

фиг.2 - конфигурации кранов в положении I;

фиг.3 - конфигурации кранов в положении II.

На фиг.1 обозначено:

1. Блок цилиндров ДВС

2. Блок цилиндров ПМ

3. Коленвал

4. Распределительный вал с механической передачей

5. Газовый трубопровод

6. Пароперегреватель

7. Котел

8. Паропровод

9. Конденсатор

10. Вентилятор

11. Насос высокого давления

12. Муфта сцепления

13. Механическая передача

14. Конденсатопровод

15. Конденсатопровод

16. Паропровод

17. Паропровод

18. Выхлопная труба

На фиг.2 и фиг.3 обозначено:

19. Первый кран

20. Второй кран

21. Рукоятка управления первого крана

22. Рукоятка управления второго крана

23. Емкость

24. Отверстие входа пара

25. Отверстие выхода пара

КДВСГ состоит из ДВС 1, блока паровой машины 2 - далее ПМ. Поршни через шатуны приводят во вращение коленчатый вал 3, общий как для ДВС, так и для ПМ. С коленчатым валом через механическую передачу связан распределительный вал, который управляет посредством кулачков открытием и закрытием клапанов цилиндров как ДВС, так и ПМ. На фиг.1 стрелками показан впуск воздуха в цилиндры. Выход отработанного газа осуществляется через газовый трубопровод 5. С газовым трубопроводом 5 непосредственно на первом месте связан пароперегреватель 6 и на втором месте котел 7, от которого отходит выхлопная труба 18. Пароперегреватель связан с впускным клапаном ПМ паропроводом 17. Выпускной клапан ПМ связан паропроводом 8 с конденсатором 9, продуваемым вентилятором 10. Конденсатор связан конденсатопроводом с насосом высокого давления 11, работающим через муфту сцепления 12 и через механическую передачу 13 с валом 3.

Насос 11 связан конденсатопроводом 14 с внутренними каналами блока цилиндров и крышки ДВС 1. Каналы блока цилиндров 1 конденсатопроводом 15 связаны с паровым котлом 7 и далее паропроводом 16 с пароперегревателем 6. Пароперегреватель 6 связан паропроводом 17 с впускным клапаном ПМ 2. Цепь замкнулась.

КДВСГ работает следующим образом. Коленчатый вал 3 вращается под действием усилий, возникающих от сгораемого топлива и двигающих поршни блока цилиндров. Отработавшие газы из блока цилиндров ДВС поступают в пароперегреватель и перегревают пар, который поступает в пароперегреватель из котла 7. Соответственно, отработавшие газы поступают в котел 7, испаряют там воду и уходят в окружающую среду через патрубок 18 (возможно к паровой турбине системы наддува).

Пар из пароперегревателя 6 по паропроводу 17 поступает в цилиндр ПМ 2 через впускной клапан и заставляет двигаться поршень ПМ и дополнительно усиливает вращающий момент на валу 3. Отработавший пар поступает в конденсатор 9 по паропроводу 8, где пар конденсируется, отдавая тепло воздуху, прокачиваемому через конденсатор вентилятором 10. Далее посредством насоса 11 конденсат через конденсатопровод 14 поступает в каналы блока цилиндров ДВС и крышки, где получает тепло от горячих стенок блока и нагревается. Нагретая жидкость после протекания через блок цилиндров и его крышку поступает через водопровод в котел 6, где испаряется. Пар из котла по паропроводу 16 поступает в пароперегреватель 17 и далее к ПМ, т.е. на этом цикл работы завершается, чтобы затем повториться бесконечное число раз.

Выше рассмотрен случай работы КДВСГ в номинальном рабочем режиме, но у него есть и переходной режим, к которому относится пуск двигателя в работу из холодного состояния, когда пара номинального высокого давления и высокой температуры нет. В этом случае ДВС начинает и продолжает работать, но вентилятор 10 через конденсатор воздух не продувает, насос высокого давления 11 не работает, т.к. муфта сцепления 12 отсоединила его от вала 3. Поршень ПМ вращается вхолостую, что создает ненормативную ситуацию. Чтобы этого избежать, на время холостого хода предусмотрено переключение цилиндра ПМ на специальную емкость. На фиг.2 показаны 2 варианта переключения цилиндра ПМ на емкость.

Устройство переключения работы цилиндра ПМ - фиг.2 и фиг.3 - состоит из двух кранов 19 и 20 с рукоятками управления 21 и 22, емкости 23 и соединительных трубопроводов. Кружками на фиг.2 и 3 отмечены отверстия входа пара - 24 - в цилиндр и выхода пара - 25 - из него.

В номинальном рабочем режиме краны установлены в положении I и входящий пар поступает по стрелке в цилиндр через отверстие 24 и находящимся за ним клапаном управления подачи пара (на схеме не показан), а выходящий из цилиндра пар через не показанный на схеме клапан выхода пара из цилиндра через отверстие 25 выходит к конденсатору. В положении II рукоятки 21 и 22 переводятся право и позволяют паровой среде из цилиндра через отверстие 24 поступать в емкость 33 (в это время клапан впуска пара в цилиндр закрыт системой управления клапанами) при движении поршня вверх, выталкивающего пар из цилиндра, а при движении поршня вниз пар из емкости 23 возвращается в цилиндр. Таким образом, при холостой работе парового цилиндра содержащаяся в нем паровая среда перемещается между емкостью и цилиндром без соприкосновения с внешней средой и засасывания из нее воздуха. Таким образом, на холостом ходу поршень ПМ гонит по замкнутому кругу порцию пара.

При запуске ДВС и холодной воде в конденсаторе, рубашке блока цилиндров и крышки, отсутствии давления пара в котле вентилятор 10 не включен, муфта сцепления 12 отсоединила насос 11 от вала 3, рукоятки кранов 21 и 22 находятся в положении II. По мере работы двигателя вода разогревается, образуется пар, давление его и температура повышаются. При достижении паром номинального давления включается вентилятор 10, муфта сцепления 12 переводит насос 11 в рабочий режим, краны переводятся в положение I. Тем самым КДВСГ переводится в вышеописанный рабочий режим. Указанное переключение осуществляется автоматически системой управления режимом работы КДВСГ по показаниям датчика давления пара в паровом котле.

При остановке ДВС система автоматического управления режимом отключит вентилятор 10 сразу после остановки, а муфту сцепления и краны переводит в положение II лишь после падения давления пара в котле ниже номинального.

Проведенные исследования показали, что на двигателях мощностью 200 л.с., 2000 об/мин мощность удалось повысить при неизменном расходе топлива на 40% у карбюраторных и на 31,5% у дизеля.

При неизменной мощности у карбюраторного двигателя расход топлива падает на 29%, у дизеля - на 19%, при этом удельный расход материалов на единицу мощности падает на 14% у карбюраторного двигателя и на 10% у дизеля, и это несмотря на появление таких новых элементов, как пароперегреватель и котел, при этом никаких новых материалов и способов производства, удорожающих технологический процесс, не возникает.

Изобретение соответствует критерию новизны, т.к. прямо не вытекает из современного уровня техники [6], а именно о рассматриваемом устройстве сведения в известных источниках отсутствуют.

Изобретение не является частью уровня техники, поэтому согласно п.14.2.21 [7] оно отвечает критерию новизны.

Изобретение отвечает критерию изобретательского уровня, т.к. «если, несмотря на имеющуюся потребность в течение длительного времени специалисты не могли найти необходимого решения, хотя имелись неоднократные неудачные попытки решить эту проблему» [8, 9, с.56]. Кроме того, изобретение отвечает критерию изобретательского уровня, т.к. не выявлены решения, которые имеют признаки, совпадающие с отличающими признаками заявленного изобретения [7, п.14.2.22].

Изобретение отвечает критерию промышленной пригодности, т.к. оно может быть использовано в промышленности, на транспорте сельским хозяйством и других сферах деятельности [7, п.14.2.2], кроме того, КДВСГ может быть изготовлен из известных материалов и по известным технологиям.

Источники информации

1. Двигатели внутреннего сгорании. Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Изд. 2-е. Коллектив авторов. М., «Машиностроение», 1970, 384 с.

2. Розанов В.Т. Трактор ДТ-54. М., Сельхозиздат, 1954, 328 с.

3. Двигатели внутреннего сгорания. Тепловые дизели и газотурбинные установки. Учебник. Симсон А.Д. и др. М., Транспорт, 1980, 384 с.

4. Справочник по судостроению под общ. ред. В.Л.Позднюка. Том X. Судовые силовые установки. М-Л., ОНТИ. Редакция судостроительной литературы. 1937, 627 с.

5. Анохин В.И. Устройство автомобиля. М., Машиз., 1953, 651 с.

6. Интеллектуальная собственность: Основные материалы. Новосибирск: ВО «Наука». 1993 - ч.1, 190 с.

7. Правила проведения экспертизы заявки на изобретение и полезную модель. (Приказ Госпатента Украины от 09.03.1995, №44).

8. Богатых Е.А., Левченко В.И. Патентное право капиталистических и развивающихся государств. М.: Юрид. лит., 1978. - 200 с.

9. Андрощук Г.О., Работягова Л.И. Патентне право: Правова охорона винаходiв: навч. посiбник. - К., МАУП, 1999 - 216 с.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двигателя с блоком цилиндров и его крышки с их каналами для прохождения по ним охлаждающей жидкости, коленчатого вала, поршневой группы, распределительного вала с системой клапанов, системы подачи топлива, включающей в себя обеспечение ее поджигания, конденсатора и устройства подачи воздуха, глушитель, согласно изобретению дополнительно включен блок паровой машины, состоящий по меньшей мере из одного цилиндра с крышкой, сидящий на одном коленчатом валу с двигателем внутреннего сгорания и имеющий систему клапанов и систему их распределительного вала, совмещенную с системой клапанов двигателя, паровой котел и пароперегреватель, при этом конденсатор связан трубой, на которой установлен насос высокого давления, с каналами блока и крышки цилиндров, каналы блока и крышки далее связаны трубой с паровым котлом и далее - с пароперегревателем, пароперегреватель через систему клапанов паровой машины связан с паровой машиной, паровая машина через систему клапанов связана трубой с конденсатором, а выхлопная труба двигателя связана с пароперегревателем и далее с котлом. Устройство подачи воздуха выполнено с наддувом. Выхлопная труба связана с турбиной системы наддува. На паровой машине установлена емкость, соединенная с входным и выходным клапанами паровой машины через краны с автоматическим их открыванием и закрыванием. Рабочей жидкостью в теплое время года является вода, а в холодное - жидкость, не замерзающая при отрицательной температуре, при этом зона образования неиспаряющейся жидкости раствора, образующейся в котле перед пароперегревателем, связана трубой с конденсатором через редукционный клапан. Управление насосом высокого давления и клапанами соединения с емкостью осуществляется системой автоматики в зависимости от величины давления в системе циркуляции жидкости и уровня жидкости в котле и конденсаторе и путем присоединения насоса к валу двигателя посредством муфты сцепления. Изобретение обеспечивает повышение КПД установки и уменьшение расхода топлива. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания, состоящий из двигателя с блоком цилиндров и его крышки с их каналами для прохождения по ним охлаждающей жидкости, коленчатого вала, поршневой группы, распределительного вала с системой клапанов, системы подачи топлива, включающей в себя обеспечение ее поджигания, конденсатора и устройства подачи воздуха, глушителя, отличающийся тем, что дополнительно включен блок паровой машины, состоящий по меньшей мере из одного цилиндра с крышкой, сидящий на одном коленчатом валу с двигателем внутреннего сгорания и имеющий систему клапанов и систему их распределительного вала, совмещенную с системой клапанов двигателя, паровой котел и пароперегреватель, при этом конденсатор связан трубой, на которой установлен насос высокого давления, с каналами блока и крышки цилиндров, каналы блока и крышки далее связаны трубой с паровым котлом и далее - с пароперегревателем, пароперегреватель через систему клапанов паровой машины связан с паровой машиной, паровая машина через систему клапанов связана трубой с конденсатором, а выхлопная труба двигателя связана с пароперегревателем и далее с котлом.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что устройство подачи воздуха выполнено с наддувом.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что выхлопная труба связана с турбиной системы наддува.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что на паровой машине установлена емкость, соединенная с входным и выходным клапанами паровой машины через краны с автоматическим их открыванием и закрыванием.

5. Двигатель по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что рабочей жидкостью в теплое время года является вода, а в холодное - жидкость, не замерзающая при отрицательной температуре, при этом зона образования неиспаряющейся жидкости раствора, образующейся в котле перед пароперегревателем, связана трубой с конденсатором через редукционный клапан.

6. Двигатель по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что управление насосом высокого давления и клапанами соединения с емкостью осуществляется системой автоматики в зависимости от величины давления в системе циркуляции жидкости и уровня жидкости в котле и конденсаторе и путем присоединение насоса к валу двигателя посредством муфты сцепления.