[01] Предлагаемое изобретение относится к аксиальному поршневому двигателю, имеющему камеру сгорания. Кроме того, предлагаемое изобретение относится, в частности, к аксиальному поршневому двигателю, имеющему камеру сгорания, которая изолирована посредством керамического блока. Предлагаемое изобретение относится также к аксиальному поршневому двигателю с непрерывным горением, выполненному с возможностью последовательной подачи рабочей среды, выходящей из камеры сгорания, к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам через по меньшей мере один канал воспламенения. Наконец, предлагаемое изобретение относится к способу управления работой аксиального поршневого двигателя.
[02] Типичные аксиальные поршневые двигатели и способы управления их работой раскрыты, например, в EP 1035310 A2, и потому уже известны из предшествующего уровня техники.
[03] Целью предлагаемого изобретения является создание аксиального поршневого двигателя с повышенным коэффициентом полезного действия.
[04] В качестве первого технического решения предлагается аксиальный поршневой двигатель, имеющий камеру сгорания, которая работает на принципе двухстадийного сгорания. Факт наличия камеры сгорания, сконструированной с возможностью обеспечения двухстадийного сгорания, означает, что химическая энергия топлива может быть использована или преобразована в форму, в которой она может быть использована намного более эффективно при применении аксиального поршневого двигателя согласно предлагаемому изобретению, в результате чего коэффициент полезного действия аксиального поршневого двигателя повышается.
[05] В свете этой цели с точки зрения конструкции представляется особо эффективным техническое решение, при котором камера сгорания имеет две области, в которые впрыскивается топливо и/или вдувается воздух. При этом в разные области камеры сгорания впрыскивание топлива и вдувание воздуха могут осуществляться как вместе, так и по отдельности.
[06] В этой связи, одним из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения предусматривается наличие в камере сгорания первой области, в которую вдувается некоторое количество воздуха, предназначенного для обеспечения сгорания, и в которую через подготовительную форсунку впрыскивается соответствующее количество топлива. Особенно эффективно процесс сгорания инициируется с помощью упомянутой подготовительной форсунки, топливо в которой уже смешано с очень небольшим количеством воздуха и подготовлено, таким образом, к сгоранию при подаче дополнительного воздуха, предназначенного для обеспечения сгорания, благодаря чему обеспечивается возможность повышения общей эффективности процесса сгорания топлива.
[07] Особое преимущество обеспечивается при таком решении, когда количество воздуха, вдуваемого в качестве дополнительного в первую область камеры сгорания и предназначенного для обеспечения сгорания, составляет менее 50% от общего количества воздуха, предназначенного для обеспечения сгорания, в предпочтительном варианте - менее 15%, в особо предпочтительном варианте - менее 10%. Если количество воздуха, предназначенного для обеспечения сгорания, находится в этих пределах, то именно благодаря этому имеется возможность повышения эффективности сгорания топлива при применении двухстадийного сгорания.
[08] Особо благоприятные условия для работы аксиального поршневого двигателя могут быть обеспечены при таком решении, когда аксиальный поршневой двигатель имеет главную форсунку и вспомогательную форсунку, через которые впрыскивается топливо. В зависимости от конфигурации сгорания топлива или соответствующей топливовоздушной смеси топливовоздушная смесь также могла бы впрыскиваться в камеру сгорания с помощью такой главной форсунки. Поэтому при наличии главной форсунки обеспечивается прохождение существенного количества топлива в камеру сгорания аксиального поршневого двигателя в определенном направлении рабочего хода, в то время как определенное количество топлива или топливовоздушной смеси проходит в камеру сгорания через вспомогательную форсунку, которая может быть выполнена, например, в виде подготовительной форсунки, и это количество топлива или топливовоздушной смеси может быть использовано для целей поддержки, например, для дожигания, подготовки или смешивания.
[09] В этой связи цель предлагаемого изобретения достигается также путем создания аксиального поршневого двигателя, имеющего камеру сгорания, которая выполнена с возможностью впрыскивания в нее топлива посредством главной форсунки и с возможностью впрыскивания в нее топлива, смешанного с воздухом, посредством подготовительной форсунки. Посредством такой подготовительной форсунки в камеру сгорания может с обеспечением преимущества впрыскиваться по существу любая желаемая топливовоздушная смесь, в то время как посредством главной форсунки в идеале должно впрыскиваться только топливо. При таком решении обеспечивается повышение коэффициента полезного действия аксиального поршневого двигателя. Если для некоторого применения это обеспечивает преимущество, то подготовительных форсунок может быть больше одной. Вышеозначенное преимущество может быть использовано независимо от применения двухстадийного сгорания или камеры сгорания, имеющей две области.
[10] Если главная форсунка ориентирована параллельно главному направлению сгорания в камере сгорания, то топливо может впрыскиваться в камеру сгорания с таким особым преимуществом, что обеспечивается возможность зажигания и сгорания исключительно эффективным образом. Воспламененная топливовоздушная смесь может пройти через всю камеру сгорания и быть выведенной через каналы воспламенения дальше из камеры сгорания и в рабочие цилиндры аксиального поршневого двигателя с большей кинетической энергией, если топливо впрыскивается в камеру сгорания из главной форсунки в главном направлении сгорания. При таком решении топливо или топливовоздушная смесь может подаваться быстро в такие области аксиального поршневого двигателя, как рабочие цилиндры, где она должна производить работу.
[11] Преимущество обеспечивается также при таком решении, когда главная форсунка ориентирована соосно с осью симметрии камеры сгорания, которая располагается параллельно главному направлению сгорания в камере сгорания. Если главная форсунка расположена на оси симметрии камеры сгорания центрально, то соответствующее существенное сгорание происходит таким образом, что обеспечивается возможность удаления из камеры сгорания газообразных продуктов сгорания для последующего использования соответствующим симметричным образом, даже если другие компоненты подаются через вспомогательную или подготовительную форсунку, через которую, однако, они не могут пройти настолько существенно.
[12] Одним из обеспечивающих преимущество вариантов осуществления предлагаемого изобретения предусматривается размещение подготовительной форсунки под углом к главной форсунке. При таком решении главная и подготовительная форсунки могут быть размещены и соединены в камере сгорания в небольшом пространстве компактно.
[13] Преимущество обеспечивается также при таком решении, когда направление струи из подготовительной форсунки пересекается с направлением струи из главной форсунки, благодаря чему для топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания из главной форсунки, и топливовоздушной смеси, впрыскиваемой в камеру сгорания из подготовительной форсунки, создаются особо благоприятные условия для завихрения и перемешивания, например, в области предкамеры подготовительной камеры.
[14] Для обеспечения возможности введения в камеру сгорания топлива из главной форсунки и топливовоздушной смеси из подготовительной форсунки представляется обеспечивающим преимущество такое решение, при котором аксиальный поршневой двигатель снабжен подготовительной камерой, в которую направлены и главная, и подготовительная форсунки и которая открывается в сторону главного отсека камеры сгорания. При таком решении всегда обеспечивается достаточно хорошее перемешивание топлива из главной форсунки и топливовоздушной смеси из подготовительной форсунки до их перехода во вторую область камеры сгорания, например, в главный отсек камеры сгорания.
[15] Для обеспечения возможности введения в камеру сгорания предварительно подогретого топлива представляется обеспечивающим преимущество такое решение, при котором аксиальный поршневой двигатель снабжен подготовительной камерой, в которую без подачи воздуха из подготовительной форсунки поступают газообразные продукты сгорания или топливовоздушная смесь, а из главной форсунки впрыскивается топливо.
[16] Кроме того, в качестве дополнительного или альтернативного решения, способствующего достижению цели предлагаемого изобретения, предлагается еще один аксиальный поршневой двигатель, снабженный камерой сгорания и подготовительной камерой, которая находится перед камерой сгорания и в которую через главную форсунку вводится топливо, нагретое и, предпочтительно, подвергнутое термическому разложению в подготовительной камере. Известные аксиальные поршневые двигатели могут быть с успехом усовершенствованы введением в их конструкцию такой подготовительной камеры, так как топливо, хотя бы только подогретое, воспламеняется более эффективно. Тем самым в долгосрочном плане в аксиальных поршневых двигателях может быть реализовано и обеспечено достаточное и успешное двухстадийное сгорание.
[17] Здесь необходимо отметить, что цель предлагаемого изобретения соответствующим образом достигается также с помощью способа управления работой аксиального поршневого двигателя, в котором топливо подвергнуто разложению на первой стадии, а затем приведено в контакт с рабочим воздухом для сгорания. Преимущество такого решения состоит в том, что топливо, подвергнутое разложению, может реагировать с рабочим воздухом более эффективно, благодаря чему, соответственно, более эффективно протекает процесс сгорания.
[18] Дальнейшее преимущество обеспечивается также при таком решении, когда разложение топлива осуществляется термическим путем. Необходимое для этого тепло может генерироваться непосредственно в аксиальном поршневом двигателе без проблем. С другой стороны, представляется самоочевидным, что дополнительно или в качестве альтернативы могут применяться процессы разложения топлива, базирующиеся на другой основе, например, это может быть электролитическое или каталитическое разложение топлива, осуществляемое в соответствующей подготовительной камере.
[19] Представляется очевидным, что тепло, необходимое для термического разложения топлива, может генерироваться различными способами. Если тепловая энергия для разложения топлива обеспечивается с помощью подготовительного пламени, то термическое разложение топлива в аксиальном поршневом двигателе может быть осуществлено особенно простым с точки зрения организации производственного процесса образом, особенно при использовании технологии, которая в любом случае используется для сжигания топлива.
[20] Если упомянутое подготовительное пламя генерируется с использованием топливовоздушной смеси, то подготовительное пламя может генерироваться в аксиальном поршневом двигателе соответственно простым с точки зрения организации производственного процесса образом.
[21] Если порция топлива, вводимого в камеру сгорания или подготовительную камеру в составе топливовоздушной смеси, менее 10% от общего количества топлива, вводимого в камеру сгорания, то может быть обеспечен особо экономичный режим работы аксиального поршневого двигателя, так как на подготовку сгорания, а именно, на подготовительное разложение топлива, в этом случае расходуется минимальное количество топлива, в то время как остальное топливо может быть использовано для выполнения желаемой работы. В этом случае, в частности, следует принимать во внимание, что топливо, которое используется для подготовки, равным образом энергетически пригодно для процесса сгорания и соответствующим образом используется для этого процесса. При двухстадийном сгорании гарантируется, что разложение топлива, используемого для выполнения работы, происходит до воспламенения, что повышает эффективность процесса в целом.
[22] Кроме того, предлагается решение, при котором в подготовительную камеру открывается подготовительная форсунка, с помощью которой может осуществляться подогрев топлива в подготовительной камере. В частности, если в подготовительную камеру через подготовительную форсунку вводится воздух для горения или воздушно-топливная смесь для горения, топливо, аналогичным образом вводимое в подготовительную камеру через главную форсунку, может быть подогрето, предпочтительно, даже подвергнуто термическому разложению особенно простым образом с точки зрения конструкции в области подготовительной камеры и подано в главный отсек камеры сгорания. В зависимости от конкретного процесса воздушно-топливная смесь для горения или другая газовая смесь или газ, вводимый из подготовительной форсунки в подготовительную камеру, может дозироваться таким образом, что в подготовительной камере превалируют температуры, достаточные для обеспечения подготовки остального топлива, например, для его термического разложения.
[23] Для обеспечения возможности введения или впрыска в камеру сгорания аксиального поршневого двигателя топливовоздушной смеси по возможности без потерь и с обеспечением соответствующего преимущества представляется предпочтительным, чтобы подготовительная камера была ориентирована параллельно главному направлению сгорания в камере сгорания. Результатом такого решения является, в частности, то, что образуется равномерный поток газообразных продуктов сгорания, и обеспечивается возможность его равномерного распределения по цилиндрам.
[24] Если подготовительная камера ориентирована по оси симметрии камеры сгорания, которая параллельна главному направлению сгорания в камере сгорания, то может быть получен соответственно равномерный поток газообразных продуктов сгорания.
[25] Воздушно-топливная смесь из подготовительной камеры может быть с обеспечением особого преимущества перемешана с воздухом в главном отсеке камеры сгорания, если диаметр подготовительной камеры меньше, чем камера сгорания. В этом случае объем главного отсека камеры сгорания должен быть настолько больше объема подготовительной камеры, чтобы мог образоваться беспрепятственный поток из подготовительной камеры с дополнительной подачей воздуха для горения через главный отсек камеры сгорания в цилиндры для предотвращения ненужного расширения в главном отсеке камеры сгорания, результатом чего были бы потери, так как работа, которая должна быть выполнена, совершается в цилиндрах.
[26] Представляется очевидным, что такая подготовительная камера может иметь разную конструкцию. В идеальном случае подготовительная камера имеет предкамеру и главный отсек. Например, в предкамеру подготовительной камеры могут открываться главная форсунка и/или подготовительная форсунка, в то время как в главном отсеке подготовительной камеры может происходить воспламенение и/или предварительное сгорание.
[27] Если, как это представляется предпочтительным, и главная, и подготовительная форсунки открываются в подготовительную камеру в области предкамеры, то смеси, вводимые в подготовительную камеру, могут быть уже исключительно хорошо подготовлены в главном отсеке подготовительной камеры.
[28] С обеспечением преимущества и главная, и подготовительная форсунки могут открываться в подготовительную камеру или в предкамеру подготовительной камеры в малом объеме конструкционного пространства, если предкамера подготовительной камеры имеет коническую форму с расширением по направлению к главному отсеку. В этом случае принимается в расчет также то, что при добавлении объемных потоков из главной и подготовительной форсунок количество газа увеличивается.
[29] Другим обеспечивающим преимущество вариантом осуществления предлагаемого предусматривается предкамера, расширяющаяся по направлению к главному отсеку, не только в этой связи. Перемешивание смесей, вводимых через главную и подготовительную форсунки, может быть еще более улучшено посредством такого расширения.
[30] Кроме того, преимущество обеспечивается при таком решении, когда направления струй из подготовительной и главной форсунок пересекаются в предкамере. При таком решении достигается особенно хорошее и полное перемешивание смесей, вводимых через главную и подготовительную форсунки.
[31] Одним из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения предусматривается определенное количество воздуха, которое соответствует определенному количеству топлива, вводимого через главную форсунку в главный отсек камеры сгорания, чтобы быть введенным в главный отсек камеры сгорания за подготовительной камерой (так сказать, «ниже по течению»). При таком решении обеспечивается возможность осуществления процесса подготовки топлива надежным образом в подготовительной камере без расходования на сгорание воздуха, который добавляется через главную форсунку главного отсека камеры сгорания.
[32] В этой связи особое преимущество обеспечивается при таком решении, когда аксиальный поршневой двигатель имеет отдельную подачу воздуха в камеру сгорания. Эта отдельная подача воздуха может быть реализована особенно просто с точки зрения конструкции, если форсунка, предпочтительно - подготовительная форсунка, имеет перфорацию по ободку, через которую осуществляется подача воздуха. Кроме того, такая отдельная подача воздуха может быть реализована также с помощью отдельных каналов, открывающихся в соответствующие отверстия, или с помощью отдельных форсунок в камере сгорания.
[33] Здесь необходимо подчеркнуть, что термины «выше по течению» и «ниже по течению» (upstream и downstream соответственно) в каждом случае относятся к главному направлению сгорания или к направлению объемного потока через форсунки или камеры. Необходимо также подчеркнуть, что в этой связи во всех случаях предметом «течения» является воздух для сгорания, или воздух, который предназначен для обеспечения сгорания топлива. С другой стороны, представляется очевидным, что предлагаемое изобретение может быть с обеспечением преимущества осуществлено для всех видов топлива, окислительно-восстановительные реакции которых с другим компонентом протекают с выделением тепла.
[34] Еще одно решение, предлагаемое для достижения цели предлагаемого изобретения, состоит в создании аксиального поршневого двигателя, имеющего камеру сгорания, которая, изолирована посредством керамического блока, являющегося воздушноохлаждаемым. Если керамический блок является воздушноохлаждаемым, то контроль термических параметров камеры сгорания аксиального поршневого двигателя может осуществляться намного лучше. Тем самым обеспечивается и продление срока службы аксиального поршневого двигателя. Нагреваемый таким образом воздух может использоваться для горения, в результате чего обеспечивается дополнительное повышение коэффициента полезного действия такого аксиального поршневого двигателя по сравнению с аксиальным поршневым двигателем, имеющим водоохлаждаемую камеру сгорания. Кроме того, воздушное охлаждение в области камеры сгорания, в частности, камеры сгорания, изолированной посредством керамического блока, облегчает управление ее работой.
[35] Конкретно, в этой связи, цель предлагаемого изобретения достигается также созданием аксиального поршневого двигателя, имеющего камеру сгорания, которая изолирована посредством керамического блока, при этом упомянутый керамический блок имеет трубообразную форму и окружен трубой с профилированием, предпочтительно - с резьбой. С помощью такого профилирования достигается увеличение площади поверхности, в результате чего обеспечивается существенное улучшение условий охлаждения. Тем самым может быть также продлен срок службы аксиального поршневого двигателя, благодаря улучшению термических параметров в аксиальном поршневом двигателе.
[36] В одном из усовершенствованных таким образом вариантов осуществления предлагаемого изобретения предусматривается профилированная труба, в которой профилирование выполнено с обеих сторон, и из соображений простоты профилирование выполнено в виде резьбы. Тем самым обеспечивается увеличение площади контакта упомянутой профилированной трубы с изолированной посредством керамического блока камерой сгорания аксиального поршневого двигателя, при этом в случае необходимости можно прибегнуть к винтовому креплению. Еще одно преимущество резьбы в том, что равномерность воздушного потока обеспечивается легче с точки зрения конструкции.
[37] Независимо от других признаков предлагаемого изобретения, описанных выше, его цель достигается также созданием аксиального поршневого двигателя, в котором для охлаждения используется сжатый рабочий воздух, в частности, для охлаждения камеры сгорания. Этот сжатый рабочий воздух может быть пущен, например, вокруг вышеописанной профилированной трубы и дополнительно охлаждать ее в процессе работы. Сжатый рабочий воздух может уже дополнительно присутствовать в аксиальном поршневом двигателе в количестве, достаточном для того, чтобы его можно было с обеспечением преимущества использовать для охлаждения аксиального поршневого двигателя.
[38] Эффективность охлаждения можно дополнительно повысить путем добавления к рабочему воздуху аксиального поршневого двигателя воды. Если предусмотреть подходящее средство для добавления воды к рабочему воздуху аксиального поршневого двигателя, то можно также смешивать с рабочим воздухом регулируемым образом.
[39] Рабочий воздух с большим успехом может быть использован для охлаждения не только непосредственно вокруг камеры сгорания. В дополнение или в качестве альтернативы до или во время сжатия рабочего воздуха или также топливовоздушной смеси может использоваться вода. Тогда остается достаточно времени для нагревания рабочего воздуха, который насыщен водой с целью максимизации эффективности аксиального поршня, для этого надлежащим образом может быть использовано, в частности, избыточное тепло от процесса сгорания, например, от процессов охлаждения. Остаточное тепло выхлопных газов также может быть надлежащим образом использовано.
[40] Преимущество обеспечивается при таком решении, когда вода разбрызгивается в цилиндр сжатия, результатом чего становится возможность равномерного распределения воды.
[41] Если, кроме того, количество воды поддерживается в определенной пропорции к количеству топлива, то вода тоже может быть с обеспечением преимущества соответствующим образом использована в процессе сгорания. В этом случае разбрызгивание избыточного количества воды может быть предотвращено, так что риск излишнего охлаждения аксиального поршневого двигателя при относительно низкой выходной мощности может быть уменьшен. Кроме того, вода может использоваться в процессе сгорания в качестве реагента и/или катализатора, например, для обеспечения химического превращения нежелательных компонентов выхлопных газов. Количество необходимой для этой цели воды также с обеспечением преимущества соответствует количеству преобразуемого в каждом случае топлива.
[42] В зависимости от реального процесса перед поступлением в главный отсек камеры сгорания вода может быть уже подвергнута термическому разложению. Этот процесс термического разложения воды может происходить, например, в подготовительной камере. С другой стороны, разложение воды может быть также химическим или каталитическим и/или происходить в другом месте, например, в питающих каналах или в непосредственной близости к впускным отверстиям камеры сгорания.
[43] Кроме того, цель предлагаемого изобретения достигается также созданием аксиального поршневого двигателя с непрерывным сгоранием, в котором рабочая среда, вытекающая из камеры сгорания, направляется последовательно на по меньшей мере два рабочих цилиндра через по меньшей мере один канал воспламенения, при этом на рабочий цилиндр предусмотрен один канал воспламенения, который выполнен с возможностью его закрывания и открывания с помощью управляющего поршня. Каналы воспламенения могут, с одной стороны, очень плотно закрываться, а с другой стороны, они выполнены с возможностью очень быстро снова открываться с помощью управляющего поршня, что невозможно, например, в случае поворотных золотниковых клапанов или поворотных каналов воспламенения, известных из предшествующего уровня техники. При таком решении коэффициент полезного действия аксиального поршневого двигателя может быть повышен уже только за счет этого. С помощью таких управляющих поршней открывание и закрывание канала воспламенения обеспечивается особенно просто и надежно с точки зрения конструкции, результатом чего является дальнейшее продление срока службы аксиального поршневого двигателя.
[44] Например, для обеспечения возможности открывания канала воспламенения управляющий поршень может быть выполнен с возможностью совершения рабочего хода в по существу радиальном направлении. В варианте осуществления предлагаемого изобретения, который в данном случае представляется предпочтительным, управляющие поршни выполнены с возможностью совершения рабочего хода в по существу радиальных направлениях, благодаря чему обеспечивается экономия пространства в осевом направлении. Если, в качестве альтернативы, управляющий поршень выполнен с возможностью совершения рабочего хода в по существу осевом направлении, то более простым образом может быть осуществлено охлаждение управляющего поршня. Таким образом, встает необходимость выбора между этими решениями, который зависит от конкретного варианта осуществления, при этом выбор может быть сделан также в пользу рабочего хода, ориентированного между осевым и радиальным направлениями, то есть, под углом, что, однако, ведет к усложнению конструкции и, следовательно, к ее удорожанию.
[45] В этой связи еще одним предпочтительным вариантом осуществления предлагаемого изобретения предусматривается водоохлаждаемый управляющий поршень, результатом чего является особо эффективное предотвращение перегревания, так как управляющие поршни подвергаются в каналах воспламенения действию особо высоких температур.
[46] В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения управляющие поршни выполнены с возможностью приведения их в движение с помощью гидравлического или пневматического механизма, благодаря чему обеспечивается короткое время закрывания или большая скорость перемещения управляющих поршней. В альтернативном варианте управляющие поршни могут быть выполнены с возможностью приведения их в движение с помощью десмодромного механизма. В случае приведения управляющих поршней в движение с помощью десмодромного механизма обеспечивается исключительно плотное закрывание канала воспламенения управляющим поршнем надежным образом даже на больших скоростях.
[47] Если приведение управляющего поршня в движение осуществляется по криволинейной траектории, то его ускорение и замедление осуществляется особенно быстро. В частности, приведение управляющего поршня в движение с помощью десмодромного механизма в данном случае может очень хорошо осуществлено на практике.
[48] Если крышка управляющего поршня имеет больший диаметр, чем канал воспламенения, то уменьшение тепловой нагрузки на управляющий поршень может быть обеспечено с гораздо большим успехом.
[49] Особенно простое крепление и наведение управляющего поршня может быть осуществлено с помощью ползунов или скользящих подшипников, результатом чего является то, что для управляющего поршня в одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого изобретения может быть обеспечено недопущение вращения. Исключительно хорошая герметизация в отношении управляющего поршня может быть достигнута при таком решении, когда управляющий поршень снабжен поршневым кольцом. Если поршневое кольцо управляющего поршня имеет прорезь, то его герметизирующая способность может быть еще более повышена, так как при таком решении поршневое кольцо будет лучше приспособлено к особенностям конструкции, в частности, к цилиндру управляющего поршня, в частности, когда упомянутый цилиндр находится под давлением.
[50] Кроме того, преимущество обеспечивается при таком решении, когда для поршневого кольца управляющего поршня также обеспечивается недопущение вращения, так как при этом обеспечивается дальнейшее повышение герметизирующей способности поршневого кольца.
[51] Другие преимущества, цели и свойства предлагаемого изобретения далее описываются со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых в качестве примера проиллюстрирован некоторый вариант осуществления аксиального поршневого двигателя согласно предлагаемому изобретению.
[52] На прилагаемых чертежах
на фиг.1 аксиальный поршневой двигатель согласно предлагаемому изобретению схематично показан в продольном разрезе;
на фиг.2 аксиальный поршневой двигатель, показанный на фиг.1, схематично изображен в поперечном разрезе по линии Н-Н;
на фиг.3 в увеличенном масштабе схематично показано кольцо канала воспламенения аксиального поршневого двигателя, изображенного на фиг.1;
на фиг.4 схематично в продольном разрезе показан управляющий поршень, являющийся альтернативой управляющему поршню аксиального поршневого двигателя, изображенного на фиг.1 и фиг.2;
на фиг.5 управляющий поршень, изображенный на фиг.4, схематично показан в поперечном разрезе по линии V-V.
[53] Аксиальный поршневой двигатель, показанный на фиг.1, содержит камеру сгорания 2, выполненную с возможностью воспламенения и сжигания в ней топливовоздушной смеси. С обеспечением преимущества упомянутый аксиальный поршневой двигатель 1 работает на принципе двухстадийного сгорания. Для этого камера сгорания 2 имеет первую область 3 и вторую область 4, в которые могут подаваться топливо и/или воздух. В частности, в первую область 3 может вдуваться некоторая доля воздуха для сгорания, при этом в рассматриваемом иллюстративном примере осуществления аксиального поршневого двигателя 1 согласно предлагаемому изобретению эта доля воздуха для сгорания может быть установлена на уровне ниже 15% от общего количества воздуха для сгорания.
[54] Камера сгорания 2 аксиального поршневого двигателя 2 может быть разделена на первую область 3 и вторую область 4, выполненные соответственно как подготовительная камера 5 и главный отсек 6 камеры сгорания.
[55] Упомянутая подготовительная камера 5 имеет меньший диаметр, чем главный отсек 6 камеры сгорания, при этом подготовительная камера 5 в свою очередь поделена на предкамеру 7 и главную камеру 8. Упомянутая предкамера 7 имеет форму конуса, который расширяется по направлению к упомянутой главной камере 8.
[56] С подготовительной камерой 5, а именно, с предкамерой 7 подготовительной камеры 5 соединены главная форсунка 9 с одной стороны и подготовительная форсунка 10 с другой стороны. Упомянутые главная форсунка 9 и подготовительная форсунка 10 выполнены с возможностью впрыскивания через них топлива в камеру сгорания 2, при этом топливо, впрыскиваемое через подготовительную форсунку 10, уже смешано с воздухом.
[57] Главная форсунка 9 ориентирована параллельно главному направлению сгорания 11 в камере сгорания 2 аксиального поршневого двигателя 1. Кроме того, главная форсунка 9 находится на одной оси с осью симметрии 12 камеры сгорания 2, параллельной главному направлению сгорания 11 камеры сгорания 2.
[58] Подготовительная форсунка 10 ориентирована под углом 13 к главной форсунке 9. При этом направление струи 14 подготовительной форсунки 9 пересекается с направлением струи 15 главной форсунки 10 в точке пересечения 16.
[59] Подготовительная камера 5, в которую направлены обе форсунки - главная форсунка 9 и подготовительная форсунка 10, открывается по направлению к главному отсеку 6 камеры сгорания. Из главной форсунки 9 топливо впрыскивается в подготовительную камеру 5 без дополнительной подачи воздуха. Это топливо уже предварительно подогрето, в идеальном случае подвергнуто термическому разложению, в подготовительной камере 5.
[60] Для этого в главный отсек 6 камеры сгорания за подготовительной камерой 5 вводится количество воздуха, соответствующее количеству топлива, проходящего через главную форсунку 9, для чего предусмотрен отдельный источник воздуха 17, открывающийся по существу в главный отсек 6 камеры сгорания. Для этого упомянутый отдельный источник воздуха 17 соединен с источником рабочего воздуха 18, при этом может быть предусмотрен дополнительный источник воздуха 19, воздух от которого подается на перфорированный ободок 20. Упомянутый перфорированный ободок 20 расположен на подготовительной форсунке 10 таким образом, что топливо, впрыскиваемое с помощью подготовительной форсунки 10, может дополнительно впрыскиваться в предкамеру 7 подготовительной камеры 5 с рабочим воздухом.
[61] Камера сгорания 2, в частности, главный отсек 6 камеры сгорания 2 снабжен воздушноохлаждаемым керамическим блоком 21. В рассматриваемом варианте осуществления предлагаемого изобретения упомянутый керамический блок 21 содержит относящуюся к камере сгорания керамическую стенку 22, которая окружена профилированной трубой 23., Вокруг упомянутой профилированной трубы 23 размещена воздухоохладительная камера 24, которая оперативно соединена с источником рабочего воздуха 18 с помощью источника 25 воздухоохладительной камеры.
[62] Кроме того, аксиальный поршневой двигатель 1 содержит рабочие цилиндры 30, которые сами по себе известны из предшествующего уровня техники (см., например, фиг.2) и которые выполнены с возможностью перемещения внутри них рабочих поршней вперед и назад.
[63] Аксиальный поршневой двигатель 1 имеет компрессионные поршни 32, приводимые в движение с помощью упомянутых рабочих поршней 31, при этом упомянутые компрессионные поршни 32 совершают движение в соответствующих компрессионных цилиндрах 33 аксиального поршневого двигателя 1. Рабочие поршни 31 соединены с компрессионными поршнями 32 с помощью соединительных шатунов 34, при этом между каждым рабочим поршнем 31 и соответствующим соединительным шатуном 34, а также между компрессионным поршнем 32 и соответствующим соединительным шатуном 34 установлено шатунное колесо 35. Между каждыми двумя шатунными колесами 35 заключена приводная искривленная дорожка 36, направленная по опоре 37 приводной искривленной дорожки. Аксиальный поршневой двигатель снабжен приводным валом 38, который расположен напротив камеры сгорания 2 и посредством которого обеспечивается возможность отбора мощности, генерируемой аксиальным поршневым двигателем 1. Рабочий воздух подвергается сжатию в компрессионных поршнях 32 известным из предшествующего уровня техники способом, включая, когда это применимо, впрыскивание воды, что может привести к дополнительному охлаждению, в результате чего, однако, выхлопные газы могут, когда это применимо, охладиться намного больше в теплообменнике, если рабочий воздух должен подводиться в камеру сгорания 2 предварительно подогретым с помощью такого теплообменника или предварительно подогретым путем приведения в контакт с другими узлами аксиального поршневого двигателя 1, который должен охлаждаться, как описано выше. Рабочий воздух, сжатый и нагретый таким образом, затем вводится в камеру сгорания 2 согласно способу, который уже описывался.
[64] Все рабочие цилиндры 30 соединены с камерой сгорания 2 аксиального поршневого двигателя 1 посредством канала воспламенения 39, так что топливовоздушная смесь может выходить из камеры сгорания 2 через канал воспламенения 39, входить в рабочий цилиндр 30 и приводить там в движение рабочий поршень 31.
[65] В данном случае рабочая среда, вытекающая из камеры сгорания 2, может через по меньшей мере один канал воспламенения подаваться последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам 30, при этом на рабочий цилиндр 30 приходится один канал воспламенения 39, выполненный с возможностью закрывания и открывания с помощью управляющего поршня 40. Таким образом, количество управляющих поршней 40 определено количеством рабочих цилиндров 30.
[66] В данном случае канал воспламенения 39 закрывается по существу с помощью управляющего поршня 40 крышкой 41 последнего. Упомянутый управляющий поршень 40 приводится в движение с помощью искривленной дорожки 42 управляющего поршня, при этом у приводного вала 38 предусмотрено дистанционирующее средство 43 для искривленной дорожки 42 управляющего поршня, в частности, с целью термической развязки. В рассматриваемом иллюстративном примере осуществления предлагаемого изобретения управляющий поршень выполнен с возможностью совершения хода 44 по существу в осевом направлении. Для этого каждый управляющий поршень 40 направляется с помощью ползуна (не обозначен), установленного в искривленной дорожке 42 управляющего поршня, при этом каждый ползун снабжен фиксирующим кулачком, выполненным с возможностью совершать в направляющей канавке (не обозначена) движение туда и обратно и предотвращения вращения управляющего поршня 40.
[67] Поскольку в области канала воспламенения 39 управляющий поршень 40 контактирует с горячей рабочей средой из камеры сгорания 2, представляется предпочтительным, чтобы управляющий поршень 40 был водоохлаждаемым. Для этого аксиальный поршневой двигатель 1 снабжен водоохладительной системой 45, в частности, в области управляющего поршня 40, при этом упомянутая водоохладительная система 45 содержит внутренние охладительные каналы 46, промежуточные охладительные каналы 47 и внешние охладительные каналы 48. При таком охлаждении обеспечивается возможность надежной работы управляющего поршня 40, совершающего движение в соответствующем цилиндре 49.
[68] Каналы воспламенения 39 и управляющие поршни 40 могут быть особенно просто с точки зрения конструкции выполнены в составе аксиального поршневого двигателя 1, если последний имеет относящееся к каналам воспламенения кольцо 50, которое можно видеть на фиг.3.
[69] Кольцо 50 имеет центральную ось 51, вокруг которой концентрично расположены, в частности, части рабочих цилиндров 30 и содержащие управляющие поршни цилиндры 49 аксиального поршневого двигателя 1. Между каждым рабочим цилиндром 30 и цилиндром 49 выполнен канал воспламенения 39, при этом каждый канал воспламенения 39 пространственно соединен с выемкой 52 (см. фиг.3) донной части 53 (см. фиг.1) камеры сгорания 2 аксиального поршневого двигателя 1. При таком решении рабочая среда из камеры сгорания 2 имеет возможность проходить через каналы воспламенения 39 в рабочие цилиндры 30 и выполнять там работу, благодаря чему обеспечивается также возможность работы компрессионных цилиндров 33 аксиального поршневого двигателя. Представляется очевидным, что, в зависимости от реального технического решения, для защиты кольца 50 или его материала от непосредственного контакта с агрессивными продуктами сгорания или от избыточно высоких температур могут быть предусмотрены покрытия и вставки.
[70] Согласно альтернативному варианту осуществления предлагаемого изобретения, управляющий поршень 60, который изображен на фиг.4 и фиг.5, имеет колесо 61 для искривленной дорожки 37 управляющего поршня аксиального поршневого двигателя 1. Упомянутое колесо 61 выполнено на конце 64 управляющего поршня 60, который обращен кнаружи от крышки 41 поршня так же, как и вращающееся фиксирующее средство 63, выполненное в виде шарика 62. В данном случае упомянутый шарик 62 также с обеспечением преимущества может быть использован в качестве продольной направляющей управляющего поршня 60. Кроме того, управляющий поршень 60 содержит поршневое кольцо 65, которое расположено прямо под крышкой 41 поршня. Упомянутое поршневое кольцо 65 закреплено на управляющем поршне 60 посредством фиксирующего средства 66 поршневого кольца. Кроме того, между поршневым кольцом 65 и шариком 62 предусмотрено средство компенсации давления 67 для управляющего поршня 60.
Перечень ссылочных обозначений
Изобретение может быть использовано в аксиальных поршневых двигателях внутреннего сгорания. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием содержит камеру сгорания (2), работающую на принципе двухстадийного сгорания и выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам. Подача рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам (30) осуществляется посредством по меньшей мере одного канала воспламенения (39). Канал воспламенения (39) предусмотрен на каждый рабочий цилиндр (30) и выполнен с возможностью открывания и закрывания с помощью управляющего поршня (40). Раскрыты варианты выполнения аксиального поршневого двигателя и способ управления работой акисального поршевого двигателя. Технический результат заключается в повышении эффективности использования энергии сгорания топлива. 9 н. и 44 з.п. ф-лы, 5 ил.
1. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, содержащий камеру сгорания (2), работающую на принципе двухстадийного сгорания и выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам.
2. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.1, характеризующийся тем, что камера сгорания (2) включает две области (3, 4), предназначенные для впрыскивания в них топлива и/или вдувания воздуха.
3. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.1, характеризующийся тем, что камера сгорания (2) включает первую область (3), предназначенную для введения в нее порции воздуха для сгорания и для впрыскивания в нее с помощью подготовительной форсунки (10) соответствующего количества топлива.
4. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.3, характеризующийся тем, что упомянутая порция воздуха для сгорания составляет менее 50%, предпочтительно менее 15%, наиболее предпочтительно менее 10% от общего количества воздуха для сгорания.
5. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.1, характеризующийся тем, что он содержит главную форсунку (9) и вспомогательную форсунку, например подготовительную форсунку (10).
6. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.1, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную камеру (5), в которую направлены главная форсунка (9) и подготовительная форсунка (10) и которая выполнена с возможностью открывания по направлению к главному отсеку (6) камеры сгорания.
7. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.1, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную камеру (5), предназначенную для введения в нее выхлопных газов или топливовоздушной смеси из подготовительной форсунки (10) и топлива из главной форсунки (9) без подачи воздуха.
8. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, включающий камеру сгорания (2), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам и впрыскивания в нее топлива посредством главной форсунки (9) и топлива, смешанного с воздухом, посредством подготовительной форсунки (10).
9. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.8, характеризующийся тем, что главная форсунка (9) ориентирована параллельно главному направлению сгорания (11) в камере сгорания (2).
10. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.9, характеризующийся тем, что главная форсунка (9) ориентирована по оси симметрии (12) камеры сгорания (2), параллельной главному направлению сгорания (11) в камере сгорания (2).
11. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.8, характеризующийся тем, что подготовительная форсунка (10) ориентирована относительно главной форсунки (9) под углом (13).
12. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.11, характеризующийся тем, что направление струи (14) подготовительной форсунки (10) и направление струи (15) главной форсунки (9) пересекаются.
13. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.8, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную камеру (5), в которую направлены главная форсунка (9) и подготовительная форсунка (10) и которая выполнена открывающейся по направлению главного отсека (6) камеры сгорания.
14. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.8, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную камеру (5), предназначенную для введения в нее выхлопных газов или топливовоздушной смеси из подготовительной форсунки (10) и топлива из главной форсунки (9) без подачи воздуха.
15. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, содержащий камеру сгорания (2, 6), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам, и подготовительную камеру (5), расположенную перед камерой сгорания (2, 6), при этом упомянутая подготовительная камера предназначена для подачи в нее топлива через посредство главной форсунки (9) и выполнена с возможностью обеспечения нагревания, предпочтительно термического разложения топлива.
16. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.15, характеризующийся тем, что в подготовительную камеру (5) открыта подготовительная форсунка (10), выполненная с возможностью нагревания топлива в подготовительной камере (5).
17. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.15, характеризующийся тем, что подготовительная камера (5) ориентирована параллельно главному направлению сгорания (11) в камере сгорания (2).
18. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.17, характеризующийся тем, что подготовительная камера (5) ориентирована по оси симметрии (12) камеры сгорания (2, 6), параллельной главному направлению сгорания (11) в камере сгорания (2, 6).
19. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.15, характеризующийся тем, что подготовительная камера (5) имеет меньший диаметр, чем камера сгорания (2, 6).
20. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.15, характеризующийся тем, что подготовительная камера (5) содержит предкамеру (7) и главную камеру (8).
21. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.20, характеризующийся тем, что направление струи (14) подготовительной форсунки (10) и направление струи (15) главной форсунки (9) пересекаются в предкамере (7).
22. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.20, характеризующийся тем, что предкамера (7) выполнена расширяющейся по направлению к главной камере (8).
23. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.21, характеризующийся тем, что предкамера (7) выполнена расширяющейся по направлению к главной камере (8).
24. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.15, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную камеру (5), в которую направлены главная форсунка (9) и подготовительная форсунка (10) и которая выполнена с возможностью открывания по направлению к главному отсеку (6) камеры сгорания.
25. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.15, характеризующийся тем, что он содержит подготовительную камеру (5), предназначенную для введения в нее выхлопных газов или топливовоздушной смеси из подготовительной форсунки (10) и топлива из главной форсунки (9) без подачи воздуха.
26. Аксиальный поршневой двигатель (1) по любому из пп.1-25, характеризующийся тем, что главный отсек (6) камеры сгорания за подготовительной камерой (5) выполнен с возможностью введения воздуха в количестве, соответствующем количеству топлива, вводимого в главный отсек (6) камеры сгорания через главную форсунку (9).
27. Аксиальный поршневой двигатель (1) по любому из пп.1-25, характеризующийся тем, что он содержит отдельный источник воздуха (17) для подачи в камеру сгорания (2).
28. Аксиальный поршневой двигатель (1) по любому из пп.1-25, характеризующийся тем, что одна из двух форсунок (9, 10), предпочтительно подготовительная форсунка (10), снабжена перфорированным ободком (20) для подачи воздуха от упомянутого отдельного источника воздуха (17).
29. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, содержащий камеру сгорания (2), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам и изолированную посредством керамического блока (21), характеризующийся тем, что упомянутый керамический блок (21) является воздушно-охлаждаемым.
30. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, содержащий камеру сгорания (2), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам и изолированную посредством керамического блока (21), характеризующийся тем, что упомянутый керамический блок (21) имеет трубообразную форму и окружен профилированной трубой (23) предпочтительно с резьбой.
31. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.30, характеризующийся тем, что упомянутая профилированная труба (23) профилирована с обеих сторон, предпочтительно снабжена резьбой с обеих сторон.
32. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, содержащий камеру сгорания (2), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам, характеризующийся тем, что для охлаждения, в частности для охлаждения камеры сгорания (2), использован сжатый рабочий воздух.
33. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, содержащий камеру сгорания (2), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам, характеризующийся тем, что упомянутый рабочий воздух содержит добавленную воду.
34. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.33, характеризующийся тем, что он выполнен с возможностью добавления воды до или во время сжатия рабочего воздуха.
35. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.34, характеризующийся тем, что он выполнен с возможностью впрыскивания воды в компрессионные цилиндры (33).
36. Аксиальный поршневой двигатель (1) по любому из пп.33-35, характеризующийся тем, что он выполнен с возможностью регулируемым образом обеспечивать пропорциональность количества воды количеству топлива.
37. Аксиальный поршневой двигатель (1) с непрерывным сгоранием, выполненный с возможностью подачи рабочей среды, вытекающей из камеры сгорания (2), последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам (30) посредством по меньшей мере одного канала воспламенения (39), характеризующийся тем, что упомянутый канал воспламенения (39) предусмотрен на каждый рабочий цилиндр (30) и выполнен с возможностью открывания и закрывания с помощью управляющего поршня (40, 60).
38. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) выполнен с возможностью совершения хода, по существу, в радиальном направлении.
39. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) выполнен с возможностью совершения хода, по существу, в осевом направлении.
40. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) выполнен водоохлаждаемым.
41. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) выполнен с возможностью приведения его в движение с помощью десмодромного механизма.
42. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) выполнен с возможностью осуществления движения по криволинейной траектории.
43. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что крышка (41) управляющего поршня (40, 60) имеет больший диаметр, чем канал воспламенения (39).
44. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) выполнен с невозможностью вращения.
45. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.37, характеризующийся тем, что упомянутый управляющий поршень (40, 60) снабжен поршневым кольцом (65).
46. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.45, характеризующийся тем, что упомянутое поршневое кольцо (65) выполнено с невозможностью вращения.
47. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.45, характеризующийся тем, что упомянутое поршневое кольцо (65) выполнено с прорезью.
48. Аксиальный поршневой двигатель (1) по п.47, характеризующийся тем, что упомянутое поршневое кольцо (65) выполнено с невозможностью вращения.
49. Способ управления работой аксиального поршневого двигателя (1) с непрерывным сгоранием, содержащего камеру сгорания (2), выполненную с возможностью подачи вытекающей из нее рабочей среды последовательно к по меньшей мере двум рабочим цилиндрам, характеризующийся тем, что на первой стадии топливо подвергают разложению, а затем приводят в контакт с рабочим воздухом для сгорания.
50. Способ по п.49, характеризующийся тем, что разложение топлива является термическим.
51. Способ по п.50, характеризующийся тем, что тепловую энергию для термического разложения топлива получают с помощью подготовительного пламени.
52. Способ по п.51, характеризующийся тем, что упомянутое подготовительное пламя генерируют с помощью топливовоздушной смеси.
53. Способ по п.52, характеризующийся тем, что доля топлива, вводимого в камеру сгорания (2) или в подготовительную камеру (5) в составе топливовоздушной смеси, составляет меньше 10% от общего количества топлива, вводимого в камеру сгорания (2).
| US 3895614 А, 22.07.1975 | |||
| Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия | 1979 |
|
SU799556A1 |
| Способ работы двухтактного форкамерного двигателя внутреннего сгорания и двухтактный форкамерный двигатель внутреннего сгорания | 1987 |
|
SU1740762A1 |
| US 5203298 A, 20.04.1993 | |||
| JP 62267520 A, 20.11.1987 | |||
| Двигатель внутреннего сгорания | 1990 |
|
SU1751374A1 |
| JP 55060618 A, 07.05.1980. | |||
