ГИБРИДНЫЙ ГОФРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК F02B75/00 F02B75/36 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах, а также в качестве привода стационарных энергетических установок.

Известны двигатели внутреннего сгорания классической конструкции (ДВС классика): цилиндропоршневая рабочая камера, кривошипно-шатунный механизм, клапана впрыска топлива и выхлопа газов, системы зажигания и охлаждения (SU №1463943, RU №104634 и др.).

Недостатками таких двигателей являются необходимость принудительного охлаждения цилиндра стенок рабочей камеры ДВС, как тепловой машины, большие боковые усилия в условиях тепловой нагрузки, а также потери на трение поршней, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (КПД).

Известен гофровый двигатель внутреннего сгорания (ГДВС) с, по меньшей мере, одной камерой сгорания, одной головкой и системой зажигания, причем камера сгорания выполнена в виде сильфона с неподвижным и подвижным фланцами, гофрами и дном, и снабжена компенсатором объема, выполненным в виде стакана, при этом неподвижный фланец выполнен в виде кольца, герметично закрепленного на головке и выступающего за контур наружных поверхностей гофр, подвижный фланец выполнен в виде кольца, выступающего внутрь контура поверхностей гофр, а дно выполнено в виде герметичного соединения подвижного фланца, фланца жесткой тяги и стакана. Сильфонная камера выполнена сварной с возможностью складывания гофр в плотный пакет. Наружная поверхность сильфонной камеры снабжена ребрами для отвода тепла, при этом высота ребер выполнена не выступающей за высоту гофр, по меньшей мере, на величину сварного шва соседних гофр. Внутренние диаметры соседних гофр сильфонной камеры выполнены различающимися на величину, равную, по меньшей мере, двум высотам сварного шва (RU №2213236).

Недостатками такого двигателя являются сложность конструкции сильфона камеры сгорания, сложность ее герметизации, низкая долговечность из-за соударения гофров сильфона при его складывании, возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, препятствующих передаче вращения на исполнительный орган, например, такой как коленчатый вал.

Известен гофровый двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, одну камеру сгорания, имеющую гофр со складками (жаропрочный сильфон), размещенный в цилиндре и связанный с гофром поршень, соединенный шатуном с коленчатым валом, размещенным в картере, подключенную к камере сгорания коробку клапанов впуска-выхлопа и зажигания (US №5222466, прототип).

Недостатками такого двигателя являются сложность конструкции сильфона камеры сгорания, ограничивающая параметры двигателя, низкая долговечность из-за деформаций и соударения гофров сильфона при его складывании, возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, препятствующих передаче вращения на коленчатый вал и возникновение соответствующих потерь, снижающих КПД.

Технической задачей изобретения является создание эффективного гибридного гофрового двигателя внутреннего сгорания и расширение арсенала двигателей внутреннего сгорания.

Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что повышена надежность работы поршня в цилиндре в связи со снижением боковых усилий и температурной нагрузки в этой паре и, следовательно, снижением износа и потерь на трение, обеспечена ремонтопригодность, т.к. ремонт высокотемпературной части двигателя сводится к замене головки цилиндра с гофром, упрощена конструкция и технология изготовления гофра (гофрового сильфона) за счет возможного использования широкого круга материалов для изготовления гофров при работе в условиях высокого давления в заявляемом двигателе, увеличена долговечность благодаря исключению соударения складок гофра. Поскольку исключено возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, снижено трение и обеспечена работа гофра при высокой температуре продуктов сгорания, увеличен КПД двигателя.

Сущность изобретения состоит в том, что двигатель внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, один цилиндр с размешенным в нем поршнем и рабочую камеру, имеющую помещенный в нее с зазором гофр со складками, который связан с поршнем, соединенным шатуном с коленчатым валом, размещенным в картере, и подключенную к рабочей камере коробку клапанов впуска-выхлопа и зажигания, отличается тем, что он выполнен с головкой цилиндра, в которой размещена рабочая камера с гофром, соединенным с упомянутой коробкой клапанов с помощью муфты, имеющей отверстия для синхронизации детонации топливно-воздушной смеси во внутреннем объеме гофра и в рабочей камере, а поршень снабжен жестко закрепленным на нем со стороны рабочей камеры стаканом-наполнителем, обращенным внутрь гофра.

Предпочтительно, выполнен с одинаковыми складками по всей длине, условия размещения гофра в рабочей камере выбраны исходя из обеспечения несоприкосновения друг с другом его складок при функционировании двигателя, поршень снабжен герметизирующими кольцевыми маслосъемными уплотнителями, а в частных случаях реализации муфта может быть выполнена заодно с коробкой клапанов или с гофром.

На чертеже изображена принципиальная схема гибридного гофрового двигателя внутреннего сгорания (ГГДВС).

Гибридный гофровый двигатель внутреннего сгорания, содержит, по меньшей мере, один цилиндр 14 с поршнем 15, головку 18 цилиндра 14 с рабочей камерой 2 и установленным в ней гофром 1 (сильфон), внутренний объем которого служит высокотемпературной «жаровой» камерой. Гофр 1 связан с поршнем 15, соединенным шатуном 5 с коленчатым валом 12, размещенным в картере 11. Головка 18 включает подключенную к камере 2 коробку 13 клапанов впуска-выхлопа и зажигания, может быть выполнена быстросъемной. Камера 2 формируется как небольшое зазорное пространство между гофром 1 и объемом головки 18, куда помещается гофр 1 и где он функционирует. Внутренняя стенка камеры 2 головки 18 может быть выполнена с некоторым коническим с расширением вверх. Гофр 1 соединен с упомянутой коробкой 13 клапанов с помощью синхронизирующей муфты 17, имеющей соединительные отверстия для синхронизации детонации топливно-воздушной смеси в камере 2 и во внутреннем объеме гофра 1. Поршень 15 выполнен с диаметром, превышающим диаметр гофра 1, и снабжен жестко закрепленным на нем со стороны камеры 2 сгорания стаканом-наполнителем 4, обращенным внутрь гофра 1 и частично размещенным внутри него. При сборке ГГДВС стакан-наполнитель 4 и гофр 1 снизу и синхронизирующая муфта 17 сверху насажены на поршень 15 и в головку 18 цилиндра герметичной слабо-прессовой разборной посадкой. Поршень 15 снабжен герметизирующими кольцевыми маслосъемными уплотнителями, а муфта 17, как правило, выполнена заодно с коробкой 13 клапанов или с гофром 1. Синхронизирующая муфта 17 может быть реализована при посадке головки 18 цилиндра непосредственно на верхний торец гофра 1. В этом случае сопрягаемые посадочные поверхности последних, реализующие функции муфты 17, должны быть, например, зубчатыми, образующими между зубьями отверстия муфты 17 для соединения камеры 2 и внутреннего объема гофра 1. Части двигателя снабжены теплоизолирующими слоями 3.

Гофр 1 выполнен с одинаковыми, например кольцевыми, складками (ребрами) по всей длине, а условия размещения гофра 1 в головке 18 цилиндра 14 выбраны из обеспечения недопущения соприкосновения со стенками камеры 2 и друг с другом его складок при функционировании гофра 1. Поперечные разрывные напряжения в цилиндрическом гофре в 2 раза больше, чем осевые. Целесообразно использование конструкции гофра 1 с «нулевым» радиусом закругления на «остроконечных» кольцевых ребрах. В этом случае реализации, чтобы избежать изгибных разрушений на «остроконечных» ребрах гофра 1, он изготовлен следующим образом. Совершенно одинаковые и совершенно плоские кольцевые заготовки - складки (ребра) гофра - соединяются друг с другом по периферии окружностей шириной 2-5 мм при помощи контактной роликовой электросварки. Изготовленный таким образом гофр 1 в полностью сжатом состоянии не имеет зазоров между ребрами и его осевой размер в полностью сжатом состоянии равен сумме толщин всех его складок (ребер), как толщина закрытой книги. В заявляемом двигателе исходя из этого осевого минимального размера выбирается высота головки 18 таким образом, чтобы гофр не мог сжиматься до беззазорного состояния, при котором мог бы увеличиться его износ и уменьшиться ресурс, поэтому целесообразно исключить соприкосновение друг с другом складок функционирующего гофра 1.

Гофр 1 в иных случаях может быть изготовлен также методом высокотемпературного спекания и проката гофра, сплетенного из единого особо прочного металловолокна - проволоки.

В других частных случаях реализации ГГДВС возможно использование гофра 1 спирально-винтовой конструкции. Деформационная характеристика спирально-винтового гофра может быть лучше, чем у гофра кольцевого.

Для придания особых прочностных свойств основной детали всего ГГДВС - гофру 1 в его материале и технологии в перспективе возможно применение нанотехнологий.

Для того, чтобы исключить соприкосновение друг с другом складок функционирующего гофра 1 при его высокочастотных возвратно-поступательных движениях в заявляемом двигателе достаточно, например, чтобы высота головки 18 была больше минимальной длины гофра 1 (в сжатом состоянии последнего). Гофр 1 должен быть, по возможности, тонкостенным, мало весить.

Гибридный гофровый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

При работе ГГДВС функцию рабочей пары выполняет герметичный, упругий, жаропрочный гофр 1, связанный с поршнем 15. Гибридный ГДВС работает как четырехтактный, где за два полных оборота коленчатого вала 12 совершается полный цикл из четырех тактов:

1-й такт - рабочий. Это такт детонации сжатой топливно-воздушной смеси в гофре 1, сопровождающийся работой расширения горячего газа и гофра 1;

2-й такт вытеснения и выхлопа отработавших газов (после завершения детонации). Истечение отработавших газов производится через клапан выхлопа коробки 13 за счет сжатия гофра 1;

3-й такт - всасывание. В объем гофра 1 поступает новая порция воздушной смеси (ТВС) через клапан впуска коробки 13, происходит расширение гофра 1;

4-й такт - сжатие рабочей смеси ходом поршня 15 в сжимающемся гофре 1 при закрытых клапанах впуска и выпуска коробки 13.

ГГДВС может работать при более высоких рабочих температурах в объеме гофра 1, чем известные двигатели внутреннего сгорания, камера 2 осуществляет при этом функцию теплозащиты. Это влечет за собой необходимость соответствующего выполнения коробки 13 клапанов впуска и выпуска.

Гофр 1 как основная деталь ГГДВС работает в условиях трех высокоинтенсивных факторов, направленных на выработку ресурса гофра 1: высокое давление (напор) детонации; высокая температура; высокая вибрация; число оборотов двигателя примерно 50 Гц (как частота переменного тока).

В ГДВС проблема высоконапорной детонации в 1-м такте разрешается путем организации синхронной детонации одновременно в двух камерах: в рабочей камере 2 и во внутреннем объеме гофра 1. При этом кольцевая муфта 17 обеспечивает через свои отверстия соединение рабочей камеры 2 и внутреннего объема гофра 1.

Использование упомянутой выше сварной конструкции гофра 1 с «нулевым» радиусом закругления на «остроконечных» кольцевых ребрах позволяет минимизировать компрессионный объем.

2-й такт работы двигателя является тактом вытеснения продуктов горения из гофра 1 путем полуоборота коленчатого вала 12 для сжатия гофра 1. При этом полного стопроцентного удаления газов не происходит - остаются газы минимального объема.

3-й такт является тактом набора в гофр 1 и камеру 2 новой порции топливовоздушной смеси (ТВС). При этом если внутри гофра 1 происходит полное смешивание остатков газов с новой порцией ТВС, то в камере 2 и особенно в нижней ее части происходит частичное смешивание остатков газов с ТВС.

Поскольку камера 2 с одной стороны ограничена стенкой головки 18 цилиндра, с другой - складками гофра 1 с малыми зазорами (аналогично лабиринтному уплотнению) возникает сопротивление поступлению ТВС в нижнюю часть камеры 2.

Поэтому в период, когда в конце 4-го и начале 1-го такта происходит детонация ТВС, горения ТВС в нижней части камеры 2 или не будет, или оно будет слабо. Это является фактором защиты цилиндра 14 от высоких температур детонации.

В то же время, для лучшего вентилирования камеры 2 во 2-м такте и лучшего ее заполнения ТВС в 3-м такте, внутреннюю стенку камеры 2 можно выполнить с некоторым коническим с расширением вверх.

В 1-м такте в условиях синхронной детонации, обеспечиваемой муфтой 17, при отсутствии жесткого соударения между складками (ребрами) гофра 1 не допускаются контактные разрушения гофра 1, одновременно это способствует более полному сгоранию ТВС в складках гофра 1.

Выполнение диаметра поршня 15 несколько превышающим внешний диаметр гофра 1 служит трем целям: гофр 1 свободно размещается и движется в камере 2; давление в камере 2, умноженное на площадь пояска между стенкой головки 18 и гофром 1, создает дополнительную положительную тягу и мощность ГГДВС; зазор между ребрами гофра 1 и стенками камеры 2 головки 18 всегда является газовым. Это направлено на теплозащиту стенок головки 18 от высоких температур, существующих вокруг ребер гофра 1.

Подачу воздуха для создания ТВС целесообразно организовать в виде потока, омывающего головку 18 и цилиндр 14 снаружи. Это направлено на сокращение тепловых потерь и охлаждение конструкции.

При таких условиях необходимая мощность автотранспортного средства достижима с помощью двухцилиндрового двигателя.

В свободном, несжатом и нерастянутом состоянии гофр 1 должен иметь усредненную длину от минимума в сжатом и максимума в растянутом состояниях. Это выравнивает и минимизирует величины упругих деформаций на ребрах гофра 1 в его крайних положениях в цикле.

Установка гофра 1 в головке 18 цилиндра 14 над поршнем 15 обеспечивает наличие газовой прослойки для защиты цилиндра 14 от детонационных температур и продуктов сгорания. Это позволяет, во-первых, значительно уменьшить потребное принудительное охлаждение цилиндра 14 и, во-вторых, значительно повысить температурный термодинамический рабочий режим в рабочих камерах двигателя. Это, как следствие, приведет к значительному росту КПД двигателя.

С помощью соединительной муфты 17 организованная синхронная детонация ТВС как внутри гофра 1, так и в камере 2 вне гофра 1. Таким образом, данный ГГДВС является реальным решением для снижения нагрузки на головке 18 и цилиндре 14 за счет уравновешивания детонации во внутреннем объеме гофра 1 синхронной детонацией в камере 2, что актуально в условиях отсутствия высоконапорных гофров 1. При этом компенсация напора внутри гофра 1 противоположным напором в камере 2 снаружи гофра 1 разгружает последний от разрывных усилий. Это, в свою очередь, дает возможность строить ГГДВС на основе доступных низконапорных гофров (сильфонов).

В данном ГГДВС возникновение дефектов гофра 1, например негерметичность, дырки и трещины в термодинамическом смысле существенно не влияют на работу двигателя. Лишь бы гофр 1 не потерял свою геометрию и не развалился на части.

Для исследовательских и опытно-конструкторских целей можно выполнить по заявляемой конструкции один или два цилиндра, например, в четырехцилиндровом обычном ДВС.

Заявляемый двигатель имеет оригинальную конструкцию и систему синхронной детонации внутри и снаружи гофра, снимающие с него разрушительные давления детонации. Это позволяет производить двигатель ГГДВС уже сейчас на основе реальных гофров без особых притязаний на их качество.

В результате настоящего технического решения упрощена конструкция и технология изготовления гофра (гофрового сильфона) за счет возможного использования широкого круга материалов для изготовления гофров при работе в условиях высокого давления, увеличена долговечность благодаря исключению соударения гофров, исключено возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, обеспечена работа при высокой температуре продуктов сгорания, увеличен КПД.

Гибридный гофровый двигатель внутреннего сгорания (ГГДВС) задуман как реально осуществимый двигатель в нынешних условиях, когда нет гофров, способных выдерживать большие давления детонации топливно-воздушной смеси в гофровой рабочей камере. Это достигается путем конструктивного слияния двух прототипов: гофрового и цилиндро-поршевого ДВС. В гибриде с помощью соединительной муфты организованная синхронная детонация ТВС как в рабочей камере-гофре, так и в жаровой камере вне гофра. Таким образом, компенсация напора внутри гофра антинапором снаружи гофра разгружает гофр от разрывных усилий. Это, в свою очередь, дает возможность строить гофровые ДВС на основе низконапорных и безнапорных гофров. По термодинамическим законам неохлаждаемые гофровые двигатели обладают существенно высокими КПД и знаменуют собой новое поколение ДВС. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с размешенным в нем поршнем и рабочую камеру, имеющую помещенный в нее с зазором гофр со складками, который связан с поршнем, соединенным шатуном с коленчатым валом, размещенным в картере, и подключенную к рабочей камере коробку клапанов впуска-выхлопа и зажигания, отличающийся тем, что он выполнен с головкой цилиндра, в которой размещена рабочая камера с гофром, соединенным с упомянутой коробкой клапанов с помощью муфты, имеющей отверстия для синхронизации детонации топливно-воздушной смеси во внутреннем объеме гофра и в рабочей камере, а поршень снабжен жестко закрепленным на нем со стороны рабочей камеры стаканом-наполнителем, обращенным внутрь гофра.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что гофр выполнен с одинаковыми складками по всей длине.

3. Двигатель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что условия размещения гофра в рабочей камере выбраны, исходя из обеспечения несоприкосновения друг с другом его складок при функционировании двигателя.

4. Двигатель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что поршень снабжен герметизирующими кольцевыми маслосъемными уплотнителями.

5. Двигатель по любому из пп. 1, 2, отличающийся тем, что муфта выполнена заодно с коробкой клапанов или с гофром.