ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F03G7/06 

Изобретение относится к области энергомашиностроения и двигателестроения и может быть использовано для создания двигателей внутреннего сгорания, к которым предъявляются особые требования по гарантированному пуску в любых климатических условиях и многотопливности для применения преимущественно в районах с низкими и очень температурами, в отдаленных районах и при проведении спасательных операций.

Известен двигатель внутреннего сгорания, имеющий по крайней мере одну камеру сгорания, соединенную со своим рабочим объемом (см., например, книгу А.В. Богатырев, Ю.К. Есеновский-Лашков, М.Л. Насоновский, В.А. Чернышева. Автомобили. - М.: КолосС, 2006, стр. 23-25, рис. 3.1).

Известен также двигатель внутреннего сгорания, имеющий по крайней мере одну камеру сгорания, соединенную со своим рабочим объемом, и механизм преобразования тепловой энергии в механическую энергию движения (см., например, книгу А.П. Болштянский, Ю.А. Зензин, В.Е. Щерба. Основы конструкции автомобиля. - М.: Легион-Авто дата, 2005, стр. 26, рис. 5.2).

Недостатком известных двигателей внутреннего сгорания является их высокая конструктивная сложность, большая зависимость пуска от состояния всех узлов и агрегатов, которое непрерывно ухудшается со временем выработки ресурса, приспособленность работы только на жидких и газообразных топливах, необходимость пусковых устройств, сильная зависимость успешности пуска от температуры окружающей среды, чем она ниже, тем затруднительнее пуск (например, в настоящее время заводы изготовители автомобилей гарантируют пуск новых двигателей внутреннего сгорания только до минус 20°C). Все это вместе взятое особенно важно в условиях, когда от гарантии пуска двигателя, питающего генератор, зависит здоровье и жизнь человека, например получение электроэнергии во время спасательных операций, в удаленных районах Крайнего Севера, на зимовках и стоянках и т.д. Таким образом, известные двигатели внутреннего сгорания не обеспечивают надежности пуска и не допускают применения твердых видов топлива (например, древесина, уголь, торф), которые могут быть добыты в непосредственной близости от места применения двигателя. Кроме того, они совершенно не приспособлены к использованию в качестве утилизаторов бросовой тепловой энергии.

Задачей изобретения является повышение многотопливности, надежности пуска двигателя внутреннего сгорания, а также возможности их применения в качестве утилизаторов бросовой тепловой энергии.

Указанная задача достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания рабочий объем выполнен в виде рабочего канала, по крайней мере две стенки которого жестко соединены между собой, а между каналом и одной из стенок установлена теплоизоляция, причем один конец этого канала является выходным звеном двигателя. Образующие канал пластины могут быть изготовлены из материалов, имеющих разные коэффициенты линейного расширения. Выходное звено двигателя может быть механически связано с зубчатым зацеплением, или с компрессором, или гидравлическим насосом, линия нагнетания которого подключена к пневматическому или гидравлическому двигателю. Сама камера сгорания может быть выполнена подвижной с возможностью отсоединения от рабочей полости, выполненной в виде рабочего канала. Двигатель может также содержать по крайней мере два рабочих объема, выполненных в виде рабочего канала, расположенных в непосредственной близости друг от друга.

Суть изобретения поясняется чертежами на примере мотор-генераторов.

На фиг. 1 схематично изображен двигатель внутреннего сгорания с одним рабочим объемом и гидравлическим механизмом преобразования возвратно-поступательного движения выходного звена двигателя во вращательное движение с помощью гидропривода.

На фиг. 2 изображено поперечное сечение двигателя по оси гидроцилиндров.

На фиг. 3 показано это же сечение с наружной теплоизоляцией стенки рабочего канала, изготовленной из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения.

На фиг. 4 схематично показан двигатель внутреннего сгорания с зубчатым механизмом преобразования возвратно-поступательного движения выходного звена двигателя во вращательное.

На фиг. 5 показана компоновка двигателя внутреннего сгорания с подвижной камерой сгорания и двумя рабочими объемами.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) состоит из рамы 1, на которой установлена камера сгорания 2 с рабочим объемом в виде рабочего канала 3 (см. также фиг. 2), образованным двумя стенками - передней 4 и задней 5. Нижний (по фиг.) конец канала 3 неподвижно закреплен на раме 1, а верхний (подвижный) является выходным звеном двигателя.

Стенка 4 имеет ребра 6 для лучшего теплообмена и может быть изготовлена из материала с большим коэффициентом линейного расширения, чем стенка 5, которая имеет впадину 7 для лучшей теплоизоляции, которая в первую очередь обеспечивается слоем, представляющим в данном случае дополнительную пластину 8 из теплоизоляционного материала. Стенки 4 и 5 вместе с пластиной 8 жестко стянуты в пакет резьбовыми соединениями 9.

Выходное звено двигателя механически через шарниры связано с гидроцилиндрами, выполняющими функции гидравлических насосов: гидроцилиндр 10 (сжимает жидкость при сближении стенки 5 с рамой 1) и гидроцилиндр 11 (сжимает жидкость при удалении стенки 5 от рамы 1). Гидроцилиндры 10 и 11 имеют всасывающие и нагнетательные обратные самодействующие клапаны (не показаны). Всасывающие клапаны соединены с баком 12, частично заполненным жидкостью, а нагнетательные - с линией нагнетания, которая подключена к гидравлическому двигателю мотор-генератора 13. Соединительные гидролинии показаны на фиг. 1-3 двойными линиями. Слив рабочей жидкости из мотор-генератора 13 производится в бак 12. Сверху пластина 4 может быть покрыта теплоизоляцией 14 (фиг. 3).

Вместо гидроцилиндров-насосов 10 и 11 могут быть использованы пневмоцилиндры, выполняющие функцию компрессоров. В этом случае в качестве преобразователя энергии давления газа в электроэнергию должен служить пневмомотор-генератор.

И гидромотор, и пневмомотор могут быть снабжены системами стабилизации частоты вращения, а электрический генератор - регулятором напряжения, позволяющим стабилизировать выходное напряжение независимо от частоты вращения (не показаны).

При использовании зубчатого зацепления 15 (фиг. 4) для преобразования возвратно-поступательного движения выходного звена (конца канала 3) во вращательное, конец канала 3 (выходное звено) механически, с помощью толкателя 15 и подпружиненного рычага 16, связан с зубчатым зацеплением, состоящим из ведущей шестерни 17, закрепленной на рычаге 16, и ведомой шестерни 18, вращающей входной вал мультипликатора 19. На валу шестерни 18 установлена обгонная муфта (не показана), и во время холостого хода (для данной конструкции - влево по фиг.) рычага 16 шестерня 18 не вращает мультипликатор 19, на выходном валу которого установлен генератор 20 с маховиком 21.

При выполнении камеры сгорания 2 подвижной (фиг. 5) она снабжается роликами 22 и устройством для перемещения 23, а двигатель кроме первого рабочего канала 3 имеет рядом расположенный второй рабочий канал 24, обустроенный так же, как и первый канал 3 и к которому присоединены такие же механизмы преобразования тепловой энергии в механическую, которые показаны на фиг. 1-4 для канала 3.

Двигатель работает следующим образом (фиг. 1 и 2).

Камера сгорания 2 запитывается топливом (жидкое топливо - мазут, бензин, керосин и т.д., твердое топливо - торф, древесина, уголь и т.д., газообразное топливо - метан, пропан-бутан и т.д.) оператором, который поджигает топливо, и оно горит с выделением теплоты сгорания. При использовании жидких топлив для его впрыска используются форсунки соответствующей конструкции и насос, которым управляет оператор. Горячие дымовые газы (продукты сгорания) поднимаются по каналу 3 и передают свою теплоту путем конвективного теплообмена стенкам 4 и 5. Происходит цикл нагрева. В связи с наличием теплоизоляционной пластины 8 и воздушного промежутка между пластиной 8 и пластиной 5, который также выполняет функцию теплоизолятора, теплота от дымовых газов к пластине 5 практически не поступает, и она остается холодной, в то время как пластина 4 прогревается до температуры, определяемой теплотой сгорания топлива и интенсивностью теплообмена. Интенсивность и скорость прогрева пластины 4 также зависит от дополнительной площади теплообмена, образованной за счет наличия развитой поверхности ребер 6, и от количества теплоты, уходящей от наружной поверхности пластины 4 в окружающую среду.

В связи с тем, что температура и, соответственно, удлинение пластины 4 существенно превышает температуру пластины 5, длина которой практически остается неизменной, весь канал 3 по мере прогрева пластины 4 изгибается, и его выходное звено (верхний конец по фиг.) смещается вправо. Это движение приводит к тому, что гидроцилиндр 10 сжимает и переталкивает находящуюся в нем жидкость в гидромотор мотор-генератора 13, в связи с чем гидромотор начинает вращаться, соединенный с ним генератор - вырабатывать электроэнергию, а отработавшая жидкость из гидромотора мотор-генератора 13 сливается в бак 12. В это же время объем гидроцилиндра 11 увеличивается, и в нем происходит всасывание жидкости из бака 12. Происходит цикл нагрева. Все процессы этого цикла длятся до тех пор, пока не наступит равенство между температурой дымовых газов в канале 3 и температурой внутренней поверхности пластины 4.

После достижения этого равенства температур, которое контролируется оператором визуально (по остановке конца пластины 4) или по установившимся показаниям термометра, чувствительный элемент которого закреплен на свободном конце пластины 4 (не показан), подача топлива в камеру сгорания 2 оператором прекращается, и происходит остывание пластины 4 до температуры, близкой к температуре окружающей среды, за счет естественной конвекции при взаимодействии с окружающей средой. Идет цикл остывания. При этом канал 3 вместе с пластинами 4 и 5 двигается в исходное состояние (влево по фиг.), гидроцилиндр 10 всасывает жидкость из бака 12, а гидроцилиндр 11 нагнетает жидкость в мотор-генератор 13, который продолжает выработку электроэнергии. После остывания пластины 4 до температуры, близкой к температуре окружающей среды, когда канал 3 с пластинами 4 и 5 снова придет в положение, близкое к вертикальному, что визуально фиксируется оператором, оператор снова подает топливо в камеру сгорания 2, снова поджигает его, и процесс повторяется.

Таким образом, конструкция выполняет функции двигателя внутреннего сгорания при одинаковых материалах пластин 4 и 5. Если пластина 4 изготовлена из материала, имеющего коэффициент линейного расширения существенно больший, чем пластина 5, то ход выходного звена оказывается большим, что упрощает проектирование и изготовление гидроцилиндров 10 и 11, так как изготовление гидроцилиндров с малыми ходами имеет определенные сложности. Установка теплоизоляции 14 на внешнюю поверхность пластины 4 (фиг. 3) ускоряет ее прогрев и уменьшает потери теплоты в окружающую среду.

Работа конструкции, изображенной на фиг. 4 с механическим преобразованием возвратно-поступательного движения выходного звена канала 3, протекает аналогично и пояснений не требует. В ней обратный ход толкателя 15 является холостым, и рычаг 16 возвращается в исходное состояние под действием своей пружины. В то же время можно и в этом случае использовать два комплекта деталей поз. 15, 16, 17 и 18, как это сделано в конструкции с гидроприводом (фиг. 1-3), чтобы организовать двухсторонний рабочий ход. Преимуществом этой конструкции является отсутствие рабочей жидкости, к которой при очень низких температурах окружающей среды могут предъявляться специфические требования.

Конструкция двигателя, изображенного на фиг. 5 и имеющего два рабочих канала (первый 3 и второй 24), позволяет не только увеличить мощность, но и облегчить использование твердого топлива, горение которого невыгодно прекращать при окончании цикла нагрева. В этом случае, по окончании цикла нагрева первого рабочего канала 3 оператор перемещает камеру сгорания 2 ко второму рабочему каналу 24 и прогревает его, пока первый канал 3 остывает. После этого оператор снова перемещает камеру сгорания 2 к первому каналу 3 и цикл работы повторяется. Реально может оказаться выгодным заправлять камеру сгорания большим количеством топлива и использовать в конструкции двигателя и более двух каналов.

Как хорошо видно по чертежам и в соответствии с описанием работы, предлагаемый двигатель внутреннего сгорания чрезвычайно прост, не имеет трущихся частей, не требует особых устройств для поджигания топлива в камере сгорания, практически всеяден по отношению к виду и качеству топлива, не имеет неуравновешенных быстро движущихся частей. Все это определяет его надежные пуск, работу и многотопливность.

В связи с перечисленными достоинствами по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания предложенная конструкция может использоваться в качестве резервного (а в отдельных случаях и основного) источника питания механической энергией и электроэнергией в сложных климатических и географических условия (особенно при очень низкой температуре окружающей среды), на большом удалении от поселений, в условиях чрезвычайных ситуаций.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания, предназначенных преимущественно для районов с низкими температурами. Двигатель внутреннего сгорания имеет по крайней мере одну камеру (2) сгорания, соединенную со своим рабочим объемом, и механизм преобразования тепловой энергии в механическую энергию движения. Рабочий объем выполнен в виде рабочего канала (3), по крайней мере две стенки (4) и (5) которого жестко соединены между собой. Между каналом 3 и одной из стенок (4) или (5) установлена теплоизоляционная пластина (8). Один конец канала (3) является выходным звеном двигателя. Технический результат заключается в повышении надежности запуска при низких температурах и в утилизации бросовой энергии. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, имеющий по крайней мере одну камеру сгорания, соединенную со своим рабочим объемом, и механизм преобразования тепловой энергии в механическую энергию движения, отличающийся тем, что рабочий объем выполнен в виде рабочего канала, по крайней мере две стенки которого жестко соединены между собой, а между каналом и одной из стенок установлена теплоизоляция, причем один конец этого канала является выходным звеном двигателя.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что образующие канал пластины изготовлены из материалов, имеющих разные коэффициенты линейного расширения.

3. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что стенка рабочего канала, изготовленная из материала с большим коэффициентом линейного расширения и обращенная наружу от рабочего объема, покрыта теплоизоляцией.

4. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что выходное звено двигателя механически связано с зубчатым зацеплением.

5. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что выходное звено двигателя механически связано с компрессором или гидравлическим насосом, линия нагнетания которого подключена к пневматическому или гидравлическому двигателю.

6. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что камера сгорания выполнена подвижной с возможностью отсоединения от рабочей полости, выполненной в виде рабочего канала.

7. Двигатель внутреннего сгорания по п. 1 или 6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит по крайней мере еще один второй рабочий объем, выполненный в виде второго рабочего канала, расположенный в непосредственной близости от первого канала.