ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО НАГРЕВАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F02G1/04 

Изобретение относится в энергетике к области двигателестроения.

Известные двигатели внутреннего нагревания, содержат картер, объединенные в блок цилиндры, крышку цилиндров и поддон, кривошипно-шатунный механизм, представляющий коленчатый вал с закрепленными к нему через подшипники шатунами, к которым через подшипники крепятся поршни, распределительный механизм газа с клапанами, систему смазки трущихся поверхностей, систему охлаждения цилиндров и маховик, а также нагревательные элементы электрические, проводники тока, датчик положения коленчатого вала, электронный блок регулирования прерывания тока, электроизоляционные втулки, как минимум два аккумулятора и провода. При этом двухтактный двигатель внутреннего нагревания содержит компрессор продувки газа в цилиндрах, имеющих окна. См. патент на полезную модель №. 108492 U1 от 06.05.2011.

Недостатком известных четырехтактных двигателей внутреннего нагревания является то, что у них на один рабочий ход приходится два оборота двигателя, что снижает их мощность. Недостатком известных двухтактных двигателей внутреннего нагревания является то, что они содержат компрессор продувки газа в цилиндрах, на работу которого используется часть работы двигателя, что снижает их мощность. При этом известные двигатели внутреннего нагревания имеют недостатки - это, по экологии: они сбрасывают в окружающую среду воздух, содержащий окислы азота, а по надежности: их нагреватели окисляются на воздухе при разогреве и перегорают.

Изобретение направлено на создание двухтактного двигателя внутреннего нагревания (газа), в котором вместо компрессора продувки будет применяться автоматическое устройство охлаждения выходящего из цилиндра газа, а затем ввод его в этот цилиндр охлажденным; в котором будет использоваться условно инертный газ, повышающий долговечность работы нагревателей; в котором будут применяться компенсирующие контуры, автоматически возмещающие потери утечки газа в цилиндрах; в котором будут применяться электрические аккумуляторы, ток от которых потребляют электрические нагреватели при нагревании газа; в котором будет использоваться тепловая инерционная масса элементов электрического нагревателя для нагрева газа.

Техническим результатом использования двухтактного двигателя внутреннего нагревания является то, что мощность его увеличится, потому что вместо компрессора продувки будет применяться устройство автоматического охлаждения вышедшего из цилиндра газа и ввод его в цилиндр охлажденным.

Техническим результатом использования двухтактного двигателя внутреннего нагревания является то, что безопасность двигателя для экологии улучшится, ввиду исключения сброса в окружающую среду горячего газа, содержащего окислы азота, который при этом будет циркулировать в рабочих циклах двигателя, поэтому газ, содержащий связанный в азоте кислород, будет условно инертным для работы нагревателей.

Техническим результатом использования двухтактного двигателя внутреннего нагревания является то, что применение в нем компенсирующего контура для каждого цилиндра позволит автоматически возмещать возможные утечки газа из объема цилиндра через зазоры при том, что этот газ внешней среды, поэтому он циркулирует в процессе минимальной утечки газа из цилиндра во внешнюю среду с последующим возвратом его в цилиндр.

Техническим результатом использования двухтактного двигателя внутреннего нагревания является то, что использование в нем свойства тепловой инерционной массы элементов электрического нагревателя (нитей, спиралей) повысит эффективность работы двигателя.

Указанные технические результаты достигаются тем, что двухтактный двигатель внутреннего нагревания, содержащий картер, к которому крепится один или больше круглых имеющих сквозное окно пустотелых цилиндров, образующих блок цилиндров, на наружной поверхности которых сделано оребрение; закрепленный на подшипники в картере коленчатый вал с установленным на нем маховиком; шатуны, связывающие шарнирно через подшипники коленчатый вал с помещенными в цилиндры поршнями, имеющими компрессионные и маслосъемные кольца; крышку цилиндров, на которой установлены втулки, снаружи которых через электроизоляционный и герметичный корпус проходят проводники тока, соединяясь в объеме цилиндров с электрическим нагревателем, установленным на электроизоляционную проставку; блок прерывания тока электронный, соединенный проводами с аккумулятором, с проводниками тока и с датчиком положения коленчатого вала, установленном на картере; систему смазки трущихся поверхностей с масляным насосом; систему охлаждения с водяным насосом, радиатором и вентилятором; и как минимум два аккумулятора, отличающийся тем, что двухтактный двигатель внутреннего нагревания дополнительно снабжается закрепленными к блоку цилиндров одинаковыми двухпоточными теплообменниками в количестве, равном количеству цилиндров в двигателе, при этом каждый теплообменник одной открытой стороной объема трубного пространства соединен фланцевым соединением с окном, сделанным на расчетном расстоянии от нижнего торца цилиндра, а коллекторы входа и выхода теплообменников, установленные на теплообменниках относительно их трубного пространства противоположно, крепятся соответственно к кожуху теплообменников, поэтому они, объединяя межтрубные объемы теплообменников, имеют патрубок входа, соединенный трубой с выходом воды из радиатора, и патрубок выхода, соединенный трубой с водяным насосом, выход воды из которого соединен с входом в радиатор, к тому же вторая открытая сторона объема трубного пространства у каждого теплообменника соединена фланцевым соединением с двухступенчатым цилиндром, с его цилиндром большого диаметра, у которого в переходнике, соединяющем установленные соосно пустотелые круглые цилиндры разного диаметра, сделаны сквозные отверстия, при этом в объем двухступенчатого цилиндра вставлены соответствующие диаметрам ступеней цилиндра два поршня, которые, имея кольцевые уплотнения, соединены по общей оси вращения штангой, где поршень меньшего диаметра, расположенный в цилиндре меньшего диаметра, рабочий объем которого является частью объема компенсирующего контура, упирается в пружину сжатия, которая вторым концом упирается в фасонную чашку, которая, закрывая рабочий объем цилиндра меньшего диаметра, крепится к торцу цилиндра, а в фасонную чашку сбоку врезан штуцер, соединяющий рабочий объем цилиндра меньшего диаметра с трубопроводом компенсирующего контура, соединенным с ресивером небольшого объема, выход из которого соединен с входом в обратный клапан автоматический, выход из которого соединен трубопроводом со штуцером, соединенным с объемом большого цилиндра и установленным на цилиндре большего диаметра в том месте, где расположен поршень большого диаметра, когда поршни находятся в свободном от действия пружины положении, к тому же перед ресивером, объем которого через штуцер соединен с входом на предохранительный клапан, в трубопровод компенсирующего контура врезан выходом впускной клапан автоматический, у которого на входе установлен фильтр.

Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей. На чертеже, фиг. 1 изображен разрез с местными разрезами двухтактного двигателя внутреннего нагревания, в котором системы, смазки и охлаждения условно не показаны. На чертеже, фиг. 2 изображен вид А на устройство охлаждения газа и автоматического заряда охлажденным газом цилиндров, а пунктирной линией обозначено исходное положение поршней. На чертеже, фиг. 3 изображена циклограмма оборота вала на 360°, показывающая включение и отключение электрического нагревателя, где α_n и α_m - номинальный и максимальный углы нагрева и действия электрического нагревателя, β - угол охлаждения электрического нагревателя, φ - угол отключенного электрического нагревателя, ω - направление вращения вала, h - ход поршня в двухтактном двигателе.

Двухтактный двигатель внутреннего нагревания, дальше возможно написание двухтактный двигатель, представляет незамкнутую механическую систему, у которого механическое равновесие при определенном условии находится в состоянии неустойчивого равновесия (см. фиг. 1). Картер 1 - это полый корпус двухтактного двигателя сделан из металла. Объем его соединен сапуном с внешней средой. Картер 1 имеет разъемы, а также опоры для установки его на раму. В нижней части картера 1 по оси, продольной картеру, сделаны по плоскости разъема картера разъемные корпусы подшипников 2, половины которых расположены в нижней и верхней частях картера. В разъемные корпусы подшипников 2 устанавливаются подшипники, на которые крепится коленчатый вал 3 с помощью коренных шеек вала. Коленчатый вал 3 делается из прочного металла, а на его щеках сделаны противовесы. В теле коленчатого вала 3 для подачи масла к трущимся поверхностям сделаны каналы, входящие в систему смазки (система смазки на чертеже не обозначена), На один конец коленчатого вала устанавливается маховик 4. К кривошипам коленчатого вала, на их шейки крепятся шарнирно с помощью разъемных корпусов подшипников и через подшипники шатуны 5. Одинаковые шатуны 5 сделаны из легкого и прочного металла. Шатуны 5 вторым концом соединяются с помощью шарнирного соединения с поршнями 6. При этом длина шатунов по межцентровому расстоянию не должна быть меньше двух радиусов кривошипа коленчатого вала. Одинаковые поршни 6 сделаны из легкого и прочного металла. Дно фронтальной поверхности поршней полируется до блеска, с целью увеличения его световой отражательной способности. У поршней 6, на их боковой поверхности, по условной плоскости, параллельной поверхности днищ поршней, сделаны прямоугольные канавки. В верхние канавки вставлены компрессионные 7, а в нижние - маслосъемные 8 кольца. При этом у компрессионных колец 7 наружная поверхность, а также плоскопараллельные боковые поверхности, как принято, полируются, чтобы кольца плотно прилегали к полкам канавок и обеспечивали герметичность соединения между компрессионным кольцом 7 и полкой канавки в поршне (полки в канавках тоже полируются). Поршни 6, соединенные с шатунами 5, вместе с компрессионными и маслосъемными кольцами вставляются в цилиндры 9 сверху. Цилиндры 9 пустотелые сделаны из износостойкого металла. Диаметр одинаковых и равных цилиндров 9 выполнен на минимальную величину больше, чем диаметр у поршней 6. Рабочая, внутренняя поверхность цилиндров 9 полируется, поэтому контакт наружной поверхности компрессионного кольца с внутренней поверхностью цилиндра улучшается, что положительно влияет на герметичность. Цилиндры 9 по длине равны не меньше двух радиусов кривошипа коленчатого вала плюс высота поршня. В объеме разъемного картера 1 все цилиндры расположены вертикально и закреплены в нем. Поэтому отдельно от картера цилиндры 9, соединенные вместе, например в ряд, образуют блок цилиндров 10. Блок цилиндров 10 имеет снаружи оребрение, чтобы в процессе работы двухтактного двигателя отводить тепло от цилиндров 9 в окружающую среду. В нижней части каждого цилиндра 9 двухтактного двигателя сделано по одному окну 11. Окно 11 в проекции, в просвет на плоскость, перпендикулярную к оси симметрии окна, совпадающей с радиусом цилиндра, имеет форму прямоугольника, отсекающего длинными сторонами часть цилиндра по окружности, а короткими - по образующей. Окно 11 предназначено для выхода нагретого в процессе работы двигателя газа воздуха из полости цилиндра на охлаждение, а затем для обратного входа его в цилиндр. При этом, когда поршень 6 находится внизу, в положении нижней мертвой точки (НМТ), нижняя кромка окна в цилиндре должна располагаться на небольшом расстоянии выше от днища поршня, от его наружной, фронтальной плоскости. Цилиндры устанавливаются так, чтобы окна 11 располагались симметрично условной плоскости симметрии цилиндра, которая проходит через ось вращения цилиндра и которая перпендикулярна к условной продольной плоскости блока цилиндров (двигателя). Блок цилиндров вместе с цилиндрами 9 закрывается сверху крышкой цилиндров 12. Крышка цилиндров 12 сделана из металла. Между блоком цилиндров и крышкой цилиндров установлена герметичная прокладка, сделанная из огнеупорного материала. В прокладке сделаны сквозные круглые окна, размер которых по диаметру равен диаметру цилиндра, а расстояние между ними соответствует расположению цилиндров в блоке цилиндров 10. Также в прокладке сделаны отверстия, для крепления крышки цилиндров. В результате объемы, закрытые поршнем 6 в цилиндрах 9, образуют над поршнем 6 замкнутые рабочие полости, обеспеченные доступной герметичностью. Поэтому, когда поршень находится вверху, в положении верхней мертвой точки (ВМТ), объем рабочей полости в цилиндре будет минимальным. Минимальный объем рабочей полости в цилиндре является камерой нагревания, в которой нагревание сжатого газа является эффективным вводом теплоты к газу при теплообмене его в малом объеме с нагретым устройством. При этом, если поршни 6 имеют небольшую высоту, то нижняя часть поршней (юбка), которая расположена напротив окна 11, продлевается. В результате эта часть поршня образует фартук 13, который закрывает окно 11, когда поршень находится у ВМТ, чтобы во время работы двигателя масло из картера в окно 11 не вбрасывалось. Рабочие поверхности крышки цилиндров, направленные в объем цилиндра, полируется до блеска, с целью увеличения их световой отражательной способности. Также в крышке цилиндров 12, в площади расположения цилиндров сделаны, например, по оси вращения соответствующего цилиндра сквозные отверстия с резьбой. В эти отверстия через прокладки устанавливаются с помощью винтового соединения втулки 14. Втулки имеют кольцевой металлический корпус, на котором сделана резьба соответствующая резьбе в отверстии крышки цилиндров, а в корпус помещена герметично электроизоляционная вставка, сделанная из твердого материала. Во втулках 14 расположены не имеющие контакта между собой и выступающие из концов втулки два проводника тока 15, сделанные из медного сплава. Количество втулок 14 равно количеству цилиндров 9. К каждой втулке 14, на основание втулки корпуса, которое обращено в объем цилиндра, крепится плоская проставка 16 электроизоляционная. Проставка 16 электроизоляционная, сделана из перфорированного прозрачного и жаропрочного стекла, а на ней установлен, закреплен электрический нагреватель 17 открытого типа, который не должен касаться металлических поверхностей. Нагреватель 17 содержит включенные параллельно и соединенные с двумя шинами электрические нагревательные элементы, установленные на проставку с обеих сторон. Нагревательные элементы сделаны в виде растянутой пружины (спирали) из не окисляемого в воздухе металла, имеющего необходимое сопротивление. Две шины у электрического нагревателя 17 соединены с проводниками тока 15 в соответствии. Выведенные наружу из объема цилиндров проводники тока 15 соединены проводами с блоком прерывания тока 18 электронным, дальше - это блок прерывания тока 18. Вместо блока прерывания тока 18 электронного может применяться блок прерывания тока механический, у которого размыкание контактов тока зависит от подвижных деталей двигателя. Однако блок прерывания тока 18 электронный, соединенный проводами через соответствующие разъемы с аккумулятором 19 и с датчиком положения коленчатого вала 20 может вместить в себя другие функции, связанные с управлением двигателя. Здесь же блок прерывания тока 18 электронный задает с помощью датчика положения коленчатого вала 20 начало включения подачи тока от аккумулятора 19 на электрические нагреватели 17 в тот или иной цилиндр, а затем отключения их. Датчик положения коленчатого вала 20 установлен на картере 1, например, напротив маховика 4, на траектории специальной метки, сделанной на маховике. Также к картеру может крепиться, образуя полный комплект агрегата, генератор тока небольшой мощности (не указан), чтобы освещать, например, место двигателя и циферблаты приборов. Генератор будет с помощью шкива соединен ременной передачей с концом коленчатого вала, имеющего шкив. Провода электрической цепи имеют электроизоляционное покрытие. Двигатель внутреннего нагревания для работы снабжается как минимум двумя аккумуляторами 19 и стартером для запуска в работу. При этом к каждому сделанному в цилиндре окну 11 крепится неразъемно патрубок, соответствующий просвету окна. К свободному концу патрубка крепится фланец 21 со сквозным отверстием, соответствующим окну. К каждому фланцу 21 крепится через прокладку из термостойкого материала теплообменник 22 двухпоточный, имеющий соединительный фланец. Однако перед этим одинаковые теплообменники, крепятся к блоку цилиндров двигателя с помощью кронштейна (не обозначен). В двухтактном двигателе количество теплообменников 22 равно количеству цилиндров 9. Теплообменники 22 содержат наружный кожух и теплообменный элемент, сделанный из тонкостенных трубок, концы которых объединены трубными решетками. Трубные решетки, обеспечивая герметичность трубного пространства, соединены с кожухом герметично. В двухпоточных теплообменниках 22 по межтрубному пространству движется охлаждающий поток, а по трубному пространству каждого теплообменника будет двигаться газ, например, воздух в прямом и обратном направлениях. Поэтому к каждому теплообменнику, к открытым сторонам обеих трубных решеток, расположенных противоположно, крепится по камере входа-выхода потока газа. К окончанию одной камеры входа-выхода, имеющей форму фасонного патрубка, крепится соединительный фланец, который соответствует фланцу 21, установленному в окне 11 цилиндра. Поэтому, как упомянуто выше, фланцы соединяются. Соответственно к кожуху каждого теплообменника, образуя общее межтрубное пространство теплообменников, крепятся неразъемно и герметично коллекторы 23 и 24 входа и выхода, установленные относительно трубного пространства теплообменников противоположно. К одному коллектору крепится патрубок входа воды, к другому патрубок выхода воды. Вода - это охлаждающий поток. При этом патрубок входа воды соединяется гибкой трубой с выходом из радиатора (на чертеже не обозначен). Радиатор обдувается вентилятором, шкив которого соединен со шкивом двигателя ремнем. А патрубок выхода воды соединен гибкой трубой с водяным насосом (на чертеже не обозначен). Выход воды из насоса соединен трубой с входом в радиатор. Патрубок - это отрезок трубы. Теплообменники 22 соединены с коллекторами входа 23 и выхода 24 так, чтобы каждый фланец на теплообменнике совмещался с каждым фланцем 21 на цилиндре. В каждом теплообменнике 22 ко второй камере входа-выхода потока газа, имеющей форму круглого патрубка, к ее окончанию крепится фланец. К этому фланцу через прокладку крепится с помощью ответного фланца пустотелый круглый двухступенчатый цилиндр, имеющий на наружной поверхности оребрение. При этом ответный фланец на одинаковых двухступенчатых цилиндрах закреплен к цилиндру 25, имеющему большой диаметр. К окончанию цилиндра большого диаметра крепится переходник. Круглый пустотелый переходник имеет переход с большего диаметра на меньший. В месте перехода в нем сделаны направленные вдоль двухступенчатого цилиндра во внешнюю среду сквозные отверстия. Меньший диаметр переходника соединен с цилиндром 26 меньшего диаметра. Оси вращения у цилиндров 25 и 26 в двухступенчатом цилиндре совмещаются, они соосны. В цилиндры двухступенчатого цилиндра помещены соответствующие диаметру цилиндров 25 и 26 круглые поршни. Поршни 27 большого диаметра и поршни 28 меньшего диаметра имеют минимальный зазор с соответствующим цилиндром. В поршнях 27 и 28 сделаны кольцевые канавки, куда установлены уплотнительные кольца, а между ними находится сальник, пропитанный густым маслом с графитом. Уплотнительные кольца сделаны из термостойкого материала с малым коэффициентом трения. Поршни 27 и 28 сделаны в виде круглых пустотелых дисков из легкого металла. Поршни 27 и 28 соединены по их общей оси вращения легкой и прочной штангой 29. Соединенные штангой поршни двигаются в цилиндрах до упоров и совершают в цилиндрах одинаковый ход. При этом в двухступенчатом цилиндре диаметр цилиндра 25 большого диаметра и его длина рассчитываются с учетом того, что давление газа, который войдет из рабочего цилиндра 9 двигателя в этот цилиндр 25 и сдвинет поршень к концу цилиндра, будет падать до давления, например, 0,7…0,55 атм. Также размер длины цилиндра 25 учитывает высоту поршня 27. Поршень 28, расположенный в ступени цилиндра с меньшим диаметром, упирается в пружину 30 сжатия. Пружина 30 сжатия вторым концом упирается в фасонную чашку, которая соединена через прокладку с окончанием цилиндра 26 меньшего диаметра и закрывает его рабочий объем, являющийся частью объема компенсирующего контура. Пружина сжатия 30 должна быть сильной, но не должна быть жесткой. Для уменьшения вредного объема в фасонной чашке в объем сжатой пружины устанавливается сердечник. В фасонную чашку, например, сбоку врезан штуцер, который соединяет рабочий объем цилиндра меньшего диаметра с трубопроводом компенсирующего контура. Штуцер - это отрезок трубы, выточенный на станке. Трубопровод компенсирующего контура соединяется с ресивером 31 небольшого объема, выход из которого соединен с входом в обратный клапан 32 автоматический - это клапан выпуска. Выход из обратного клапана 32 соединен трубопроводом со штуцером, который введен в объем цилиндра большого диаметра и установлен в том месте, где расположен поршень 27, когда поршни 27 и 28 находятся в исходном положении (пружина их не перемещает). Для притока газа в объем компенсирующего контура, например, из внешней среды перед ресивером 31 в объем трубопровода врезается патрубок, к которому выходом крепится впускной клапан 33 автоматический, на входе которого установлен фильтр, устраняющий попадание пыли в трубопровод. Для удержания постоянного давления в объеме компенсирующего контура, в объем ресивера врезан штуцер, который соединяется с входом на предохранительный клапан 34, предназначенный для сброса избытка давления газа в атмосферу внешней среды из объема ресивера. При этом для работы компенсирующего контура необходимо соблюдать условие, по которому объем газа, который сжат и вытеснен из цилиндра 26 меньшего диаметра в объем компенсирующего контура и в объем цилиндра 25 большого диаметра на возмещение утечки газа из рабочего объема цилиндра двигателя или в случае сброса этого газа через предохранительный клапан 34 во внешнюю среду при движении поршня 28 и вытеснения им газа до остановки, должен быть, согласно правилу работы насоса, больше объема газа, находящегося при том же давлении сжатия в оставшемся пассивном объеме компенсирующего контура.

Работа двухтактного двигателя внутреннего нагревания осуществляется следующим образом. На чертеже фиг. 1 изображен представляющий незамкнутую механическую систему двухцилиндровый двухтактный двигатель внутреннего нагревания газа (воздуха) как рабочего тела, у которого механическое равновесие находится в состоянии неустойчивого равновесия сил. Один из поршней 6 поднят до конца вверх к ВМТ, и газ (воздух) в объеме цилиндра находится под давлением работы сжатия газа поршнем. Чтобы двигатель внутреннего нагревания перешел из неустойчивого механического равновесия в состояние динамического равновесия сил, необходимо повернуть вал двигателя в рабочем направлении, а затем его поршням 6 постоянно сообщать дополнительное количество энергичной силы, типа механических толчков, которые может осуществлять, например, сжатый до большого давления газ (пар) при подаче его попеременно в тот или иной цилиндр.

Однако такой способ представляется затратным, потому что на сжатие газа необходимо взять где-то энергию - работу тел для сжатия газа. Двухтактный двигатель внутреннего нагревания на такую подачу газа не рассчитан.

Поэтому применяются знания термодинамики: pV=RT, где р - давление газа, V - объем газа, Т - температура газа, R - газовая постоянная, или p₁·V₁/Т₁=р₂·V₂/Т₂, и используется свойство газа увеличивать внутреннюю энергию газа при его нагревании в постоянном объеме (V) для работы двигателя. Соответственно в предлагаемом двухтактном двигателе внутреннего нагревания используется способ нагревания газа при практически постоянном объеме прямым теплообменом его с электрическим нагревателем 17.

Двигатель внутреннего нагревания запускается стартером от аккумулятора 19. Стартер входит в зацепление с маховиком 4 двигателя и вращает его с расчетной скоростью в рабочем направлении. Маховик 4 передает крутящий момент на коленчатый вал 3. Начинает работать система смазки трущихся поверхностей, в которую масляный насос нагнетает масло, закачиваемое им из поддона двигателя, куда масло стекает, обеспечивая циркуляцию. Начинает работать система охлаждения, в которой водяной насос, обеспечивая циркуляцию охлаждающей воды (жидкости) по контуру, закачивает воду из теплообменников 22, из их межтрубных пространств и направляет ее по гибкой трубе в верхний бачок радиатора. В тонкостенных трубках радиатора, обдуваемых вентилятором, вода охлаждается и стекает в накопительный бачок радиатора. Из накопительного бачка радиатора охлажденная вода по гибкой трубе направляется на вход в межтрубные пространства теплообменников 22. Если установлен электрический генератор, то он начинает работать, и вырабатываемый им ток освещает циферблаты приборов. Кривошипы вращающегося коленчатого вала 3 с помощью шатунов 5 приводят в движение поршни 6, которые перемещаются в цилиндрах возвратно-поступательно вдоль оси цилиндров от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ) и наоборот. Включенный в работу одновременно со стартером блок прерывания тока 18 электронный с помощью датчика положения коленчатого вала 20 определяет с опережением начало включения блока прерывания 18 (поршень 6 приближается к ВМТ) и подает от аккумулятора 19 (включает его) электрический ток достаточной мощности на электрический нагреватель 17, расположенный в первом цилиндре (см. фиг. 1, цилиндр с поршнем находятся слева). При этом газ, уже сжатый в цилиндре поршнем, который, затратив работу сжатия газа, переместился снизу вверх, нагрелся, например, до температуры Т_Ц=315°С. Соответственно сжатый и нагретый газ начинает дополнительно нагреваться в образовавшейся и уменьшающейся в объеме камере нагревания, осуществляя теплообмен с включенными нагревательными элементами электрического нагревателя. Температура нитей у электрического нагревателя 17 повышается и с учетом их нагрева при теплообмене со сжатым газом составит, например, Т_Н=1100°С. При этом нагревание газа осуществляется способом контакта, так как молекулы в сжимаемом газе подвижны, а также способом поглощения газом лучистой тепловой энергии, испускаемой нагревателем 17. Пусть нагревание газа лучистой энергией малоэффективно, но сжатый газ получает это тепло, потому что к концу сжатия газа камера нагревания имеет малый объем, а ее поверхность светоотражаемая. Поршень 6, находясь уже близко к положению ВМТ, перемещается вверх за счет действия сил стартера и инерции маховика 4 (см. фиг. 3, циклограмму включения и выключения нагревателя). Когда поршень займет положение ВМТ, температура газа составит, примерно, 730°С. В результате давление газа, сжатого ранее до давления 9,0 атм (0,9 МПа) поршнем 6 при движении его по цилиндру от НМТ к ВМТ, при нагреве газа до данной температуры практически в постоянном объеме повысится и, согласно закону Шарля и закону Бойля-Мариотта, составит в ВМТ например, 15,4 атм (1,54 МПа). Соответственно в неплотности цилиндра 9 с поршнем, через компрессионные кольца 7 устремится газ с большим давлением. Но газ при движении подвергается падению давления в неплотностях. Поэтому высокое давление газа прижмет компрессионные кольца боковыми поверхностями к поверхности канавок в поршне, закрывая таким образом неплотности между цилиндром и поршнем. При этом с круглой внутренней поверхностью цилиндра компрессионные кольца имеют практически исчезающий зазор. Соответственно газ в отсутствии движения поршня 6 принимает теплоту продолжительно. Давление газа в полости цилиндра над поршнем при его нагревании поднимается почти до расчетной величины. В дальнейшем при прохождении поршнем ВМТ, и дальше за положение ВМТ температура газа в результате теплообмена с нагревателем 17 повышается, например до 1000°С. В этом случае у находящего в камере нагревания сжатого газа давление как одно из значений параметров внутренней энергии газа значительно повышается и составит, примерно, 19,5 атм (1,95 МПа) при степени сжатия ε=V₁/V₂=4,5 ед., что превышает больше чем в два раза давление сжатого в цилиндре 9 газа поршнем (работа сжатия газа), где V₁ и V₂ - объемы газа в начале и в конце сжатия. Значит, как отмечено выше, двигатель внутреннего нагревания переходит из неустойчивого механического равновесия сил в состояние динамического равновесия сил, потому что его поршню 6 сообщено и будет сообщаться большее количество энергии давления газа, повышающееся в условно постоянном объеме цилиндра в процессе его нагревания. Поэтому, согласно круговому циклу для работы двухтактных двигателей, в заявленном двухтактном двигателе внутреннего нагревания осуществляется такт рабочего хода Поршень 6, прошедший положение ВМТ, испытывая как крышка цилиндров 12 и стенка цилиндра действие повышенного давления газа, начнет перемещаться по цилиндру 9 вниз к НМТ. Поршень 6, действуя силой давления поршня, равной (F_П) и направленной по оси цилиндра от ВМТ к НМТ, давит на шатун 5. Сила давления поршня определится так (F_П=P_J·S_П), где p_J - давление нагретого в цилиндре газа в данный момент времени, S_П - площадь дна поршня. Шатун 5 принимает силу давления поршня при перемещении поршня 6 и давит на шейку кривошипа коленчатого вала. При этом шатун 5, отклоняя кривошип вала действием силы давления поршня, вращает коленчатый вал 3 с ускорением. Соответственно нагретый в камере нагревания сжатый газ совершает процесс расширения с сохранением давления газа, соответствующего прохождению поршня в цилиндре. По окончании угла действия нагревателя (см. фиг. 3, где α_m - максимальный угол действия нагревателя) блок прерывания тока 18 отключает электрический нагреватель 17 от аккумулятора 19. Также выходит из зацепления и отключается от аккумулятора стартер. Но так как металл спирали нагревателя был нагрет до 1100°С, то до тех пор, пока расстояние от поверхности крышки цилиндров до дна поршня будет невелико, охлаждающийся при расширении газ будет испытывать нагревание от сильно нагретой спирали нагревателя, что повысит эффективность процесса расширения газа (см. фиг. 3, угол β). В дальнейшем газ при расширении охлаждается, занимая больший объем в цилиндре 9, в котором он, совершая работу, перемещает поршень 6. При этом стенке цилиндра отдается работа трения поршня как тепло, а также часть тепла газа. Получаемое тепло передается во внешнюю среду от поверхности оребрения цилиндра. Результатом перемещения поршня в цилиндре является то, что сила давления поршня (F_П), действуя на кривошип с помощью шатуна 5, создает вращающий момент (М_П=F_П·L_J), равный работе поршня двигателя, где L_J - длина проекции рычага кривошипа на условную плоскость, перпендикулярную к действию силы в данное время. Вращающий момент (М_П) сообщается установленному на коленчатом вале 3 маховику 4, который накапливает работу тел в виде работы силы инерции маховика. Когда поршень 6 первого цилиндра будет приближаться к НМТ, фронтальная плоскость дна поршня сравнивается с расположенным в нижней части цилиндра окном 11, с его началом. Поэтому при дальнейшем перемещении поршня в цилиндре окно 11 будет открываться. В результате газ с остаточным избыточным давлением, равным, например, р_Ц=2,3 атм (0,23 МПа), и температурой Т≈205°С выходит в окно 11. При этом давление газа в рабочем цилиндре 6 падает. Из окна 11 газ входит в трубное пространство теплообменника и при движении по трубам теплообменника газ сильно охлаждается. Охлажденный примерно, до Т_Т=90°С, газ выходит из теплообменника 22 и входит в цилиндр 25 большего диаметра на охлаждение со стенкой цилиндра. Избыточное давление в цилиндре 25 будет, примерно, р_И≈1, 1 атм (0,11 МПа), что больше давления газа во внешней среде. Поэтому газ силой давления перемещает в цилиндре 25 поршень 27 большого диаметра (см. фиг. 2), который соединен штангой 29 с поршнем 28 меньшего диаметра. В результате поршень 28 меньшего диаметра будет оказывать силе давления газа сопротивление, сжимая газ в цилиндре 26 и в компенсирующем контуре. Но так как газ силой давления давит на дно поршня большого диаметра, площадь которого составляет большее значение, чем площадь дна у поршня меньшего диаметра, то поршень 27 большого диаметра силой давления поршня, преодолевая сопротивление силы давления поршня меньшего диаметра, перемещает соединенный с ним поршень 28, который будет сжимать газ в цилиндре, в объеме компенсирующего контура. Давление газа, создаваемое в объеме компенсирующего контура, зависит от объема газа, вытесняемого поршнем 28 из цилиндра 26 меньшего диаметра. Также силе давления газа оказывает сопротивление пружина 30 сжатия, которая стремится отодвинуть поршень 28 от фасонной чашки двухступенчатого цилиндра. Соответственно поршень 27 под действием давления газа, создаваемого остаточным давлением газа, выходящим из рабочего цилиндра 9, будет двигаться в цилиндре 25 до тех пор, пока силы противодействия его движению не сравняются с действующей силой давления поршня (F′_П), или он упрется в ограничитель. В этом случае при остановке поршня большого диаметра избыточное давление газа в объеме рабочего цилиндра 9, в трубном пространстве теплообменника и в объеме цилиндра 25 составит, например, р_И=0, 6 атм (0,06 МПа). Температура расширяющегося газа понизится. При этом расчетное давление газа р′_И=0,68 атм (0,068 МПа) будет и в объеме компенсирующего контура, потому что избыток сжатого газа, который сжимается при вытеснении поршнем 28 газа в контур из цилиндра 26 меньшего диаметра, сбрасывается с температурой внешней среды через предохранительный клапан 34 во внешнюю среду. Значит, обратный клапан 32 не откроется. Но, когда утечки газа из объема цилиндра 9 через неплотности между поршнем и цилиндром накапливаются в процессах сжатия газа, то избыточное давление газа в объеме цилиндра большого диаметра может к окончанию движения поршня 27 упасть, например, до р_И=0,52 атм (0,052 МПа). Тогда сила давления газа из объема компенсирующего контура автоматически откроет обратный клапан 32 и весь газ войдет в цилиндр 25, поднимая в нем давление до р_И=0,6 атм (0,06 МПа). При этом газ, находящийся в теплообменнике 22, продолжает охлаждаться, в результате чего объем его уменьшается. Поэтому пружина 30 начнет двигать поршень 28 меньшего диаметра по цилиндру 26, который с помощью штанги 29 будет перемещать в цилиндре 25 поршень 27 большого диаметра. Соответственно вошедший из цилиндра двигателя газ будет вытесняться поршнем 27 обратно в трубное пространство теплообменника, где газ будет дополнительно охлаждаться и уменьшаться в объеме при увеличении плотности газа. Затем охлажденный газ из теплообменника 22 войдет через окно 11 в объем рабочей полости цилиндра и вступит в теплообмен контактом с сохранившим тепло газом, находящимся в цилиндре 9. Объем газа в рабочей полости цилиндра двигателя при его охлаждении уменьшится при увеличении плотности газа, и пружина вернет поршни 27 и 28 в двухступенчатом цилиндре в исходное положение, вытеснив весь вошедший в цилиндр 25 газ (см. фиг. 2, пунктиром показано исходное положение поршней). Значит, произошел автоматический заряд цилиндра 9 охлажденным газом, в котором часть кислорода уже связана с азотом в виде окислов. Однако, если из компенсирующего контура часть газа была компенсирована, то есть ушла на возмещение утечки газа, то в объем компенсирующего контура при движении поршня меньшего диаметра за счет действия пружины в обратном направлении недостающий газ войдет через впускной клапан 33 из внешней среды. Как видим, работа компенсирующего контура осуществляться автоматически, потому что в двухступенчатых цилиндрах движение поршня 28 меньшего диаметра в прямом направлении связано с работой газа, направленной на перемещение поршня 27 большого диаметра и сжатие пружины, а его движение в обратном направлении связано с работой пружины. За время входа газа на охлаждение в теплообменник 22 и обратного выхода из него поршень 6 двигателя опустился в цилиндре 9 до НМТ, прошел ее положение, а затем, двигаясь вверх, приблизился к окну 11 фронтальной плоскостью дна поршня. В дальнейшем поршень 6 закроет окно 11, и газ будет сжиматься в цилиндре при перемещении поршня к ВМТ. Но так как двигатель внутреннего нагревания имеет два цилиндра, то во время движения поршня в первом цилиндре к ВМТ поршень во втором цилиндре 9 совершает такт рабочего хода, который полностью соответствует такту рабочего хода, прошедшему в первом цилиндре. При этом одновременно с прошедшим рабочим ходом поршня в первом цилиндре во втором цилиндре 9 поршень 6 перемещался вверх к ВМТ, сжимая газ, находящийся в объеме второго цилиндра. Поэтому такт сжатия газа поршнем 6 в первом цилиндре 9 будет соответствовать такту сжатия газа, прошедшему во втором цилиндре 9. Такты повторяются, значит, двигатель работает. То есть двухтактный двигатель внутреннего нагревания перешел из состояния неустойчивого механического равновесия сил в состояние динамического равновесия сил. Поэтому пока на перемещение поршней 6 в цилиндрах 9 двигателя им будет сообщаться дополнительное количество силы давления сжатого газа, нагревающегося попеременно в том или ином цилиндре от находящегося там электрического нагревателя 17, питающегося от аккумулятора 19 тока, до тех пор двухтактный двигатель внутреннего нагревания будет работать. Соответственно, когда внутренний объем цилиндров 9 при работе двигателя внутреннего нагревания прогреется, время подача мощности электрического тока на электрический нагреватель 17 смещается от опережения и сокращается до номинального значения угла включения нагревателя (α_n). Работа двигателя используется потребителем. При этом после разрядки аккумулятора 19 в электрическую цепь двигателя включается запасной аккумулятор 19, а разряженный аккумулятор ставится на зарядку электрическим током от внешней сети тока.

Отмечаем, что заявленный двухтактный двигатель внутреннего нагревания во время работы не сбрасывает в атмосферу окружающей среды вредный углекислый газ и окислы азота. Также в заявленном двухтактном двигателе внутреннего нагревания на работу одного цилиндра в двигателе тратится то количество электрического тока большой мощности, которое равно нагреванию электрическим нагревателем 17 в камере нагревания газа, сжатого предварительно поршнем при такте сжатия, и которое подводится в режиме активного сопротивления на угле поворота коленчатого вала, равном углу (α_n), который будет меньше, чем угол (β) и еще меньше, чем угол (φ), когда ток к нагревателю не подводится (см. фиг. 3). К тому же применение для работы двухтактного двигателя невысокой степени сжатия газа позволяет не тратить больших усилий двигателя на сжатие газа. Значит, заявленный двигатель внутреннего нагревания (газа) будет работать по рациональному рабочему циклу, при том что работа двухтактного двигателя будет чистой для экологии человека.

Изобретение относится к двигателестроению. Двухтактный двигатель внутреннего нагревания содержит картер, коленчатый вал, шатуны, поршни, крышку цилиндров, блок прерывания тока электронный, системы смазки и охлаждения, а также аккумуляторы. К картеру крепятся круглые имеющие сквозное окно пустотелые цилиндры. На крышке цилиндров установлены втулки. Снаружи втулок через электроизоляционный и герметичный корпус проходят проводники тока, соединяясь в объеме цилиндров с электрическим нагревателем. Блок прерывания тока соединен проводами с аккумулятором, проводниками тока и датчиком положения коленчатого вала. Двигатель снабжен закрепленными к блоку цилиндров одинаковыми двухпоточными теплообменниками. Каждый теплообменник одной открытой стороной объема трубного пространства соединен фланцевым соединением с окном, сделанным на расчетном расстоянии от нижнего торца цилиндра. Вторая открытая сторона объема трубного пространства у каждого теплообменника соединена фланцевым соединением с двухступенчатым цилиндром. В объем двухступенчатого цилиндра вставлены соответствующие диаметрам ступеней цилиндра два поршня. Рабочий объем цилиндра меньшего диаметра является частью объема компенсирующего контура. Техническим результатом является повышение мощности, безопасности и эффективности двигателя. 3 ил.

Двухтактный двигатель внутреннего нагревания, содержащий картер, к которому крепится один или больше круглых имеющих сквозное окно пустотелых цилиндров, образующих блок цилиндров, на наружной поверхности которых сделано оребрение; закрепленный на подшипники в картере коленчатый вал с установленным на нем маховиком; шатуны, связывающие шарнирно через подшипники коленчатый вал с помещенными в цилиндры поршнями, имеющими компрессионные и маслосъемные кольца; крышку цилиндров, на которой установлены втулки, снаружи которых через электроизоляционный и герметичный корпус проходят проводники тока, соединяясь в объеме цилиндров с электрическим нагревателем, установленным на электроизоляционную проставку; блок прерывания тока электронный, соединенный проводами с аккумулятором, с проводниками тока и с датчиком положения коленчатого вала, установленном на картере; систему смазки трущихся поверхностей с масляным насосом; систему охлаждения с водяным насосом, радиатором и вентилятором; и как минимум два аккумулятора, отличающийся тем, что двухтактный двигатель внутреннего нагревания дополнительно снабжается закрепленными к блоку цилиндров одинаковыми двухпоточными теплообменниками в количестве, равном количеству цилиндров в двигателе, при этом каждый теплообменник одной открытой стороной объема трубного пространства соединен фланцевым соединением с окном, сделанным на расчетном расстоянии от нижнего торца цилиндра, а коллекторы входа и выхода теплообменников, установленные на теплообменниках относительно их трубного пространства противоположно, крепятся соответственно к кожуху теплообменников, поэтому они, объединяя межтрубные объемы теплообменников, имеют патрубок входа, соединенный трубой с выходом воды из радиатора, и патрубок выхода, соединенный трубой с водяным насосом, выход воды из которого соединен с входом в радиатор, к тому же вторая открытая сторона объема трубного пространства у каждого теплообменника соединена фланцевым соединением с двухступенчатым цилиндром, с его цилиндром большого диаметра, у которого в переходнике, соединяющем установленные соосно пустотелые круглые цилиндры разного диаметра, сделаны сквозные отверстия, при этом в объем двухступенчатого цилиндра вставлены соответствующие диаметрам ступеней цилиндра два поршня, которые, имея кольцевые уплотнения, соединены по общей оси вращения штангой, где поршень меньшего диаметра, расположенный в цилиндре меньшего диаметра, рабочий объем которого является частью объема компенсирующего контура, упирается в пружину сжатия, которая вторым концом упирается в фасонную чашку, которая, закрывая рабочий объем цилиндра меньшего диаметра, крепится к торцу цилиндра, а в фасонную чашку сбоку врезан штуцер, соединяющий рабочий объем цилиндра меньшего диаметра с трубопроводом компенсирующего контура, соединенным с ресивером небольшого объема, выход из которого соединен с входом в обратный клапан автоматический, выход из которого соединен трубопроводом со штуцером, соединенным с объемом большого цилиндра и установленным на цилиндре большего диаметра в том месте, где расположен поршень большого диаметра, когда поршни находятся в свободном от действия пружины положении, к тому же перед ресивером, объем которого через штуцер соединен с входом на предохранительный клапан, в трубопровод компенсирующего контура врезан выходом впускной клапан автоматический, у которого на входе установлен фильтр.