ДВУХТАКТНЫЙ ДВС С АЭРОДИНАМИЧЕСКИМ КЛАПАНОМ В ПОРШНЕ И ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2019 года по МПК F02G1/02 F02G1/04 F02G3/02 F02G5/04 

Изобретение относится к области энергетики - тепловым двигателям внутреннего сгорания и двигателям с внешним подводом теплоты.

Уровень техники.

Из уровня техники известен преобразователь тепловой энергии в механическую - «Тепловой двигатель с бесклапанным газораспределением» описанный в патенте RU 2576077 (опубликован 27.02.2016 г.), относящийся к категории двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ).

Двухтактный двигатель содержит рабочую камеру, образованную цилиндром с головкой и поршнем, вытеснительную полость и газоходные каналы-сопла, связывающие ее с рабочей камерой и образующие газораспределительный механизм, а также нагреватель и холодильник (согласно п. 1 формулы).

Для реализации замкнутого цикла «активной» регенерации теплоты сжатия с переносом ее из такта сжатия в такт расширения - двигатель дополнительно содержит активатор рабочего газа, преобразующий рабочую камеру в плазменно-вихревую рабочую камеру (согласно п. 10 формулы), что способствует увеличению КПД (коэффициента полезного действия) ДВПТ.

Также наличие активатора (ввода плазмообразующей энергии активации рабочего газа) в плазменно-вихревой камере, согласно полезной модели патент РФ №151391 «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой», позволит использовать возможность по высвобождению иной тепловой энергии и преобразованию ее в дополнительную механическую энергию.

Указанные двигатели имеют следующие недостатки:

- низкая приемистость двигателя из-за тепловой инерционности нагревателя;

- двигателю с высокой удельной мощностью для теплопитания нагревателя необходим специальный малогабаритный генератор высокопотенциальной высокоплотной тепловой энергии, а не просто камера (сгорания) сжигания горючей смеси при атмосферном давлении, имеющая, в этом случае, значительные массовые и габаритные параметры и характеристики.

В целях миниатюризации - необходимо уменьшать камеру сгорания ДВПТ при одновременном повышении величины плотности теплового потока через нагреватель ДВПТ к рабочему телу (газу) ДВПТ посредством сжигания сжатой топливной смеси, в противном случае при сжигании топливной смеси атмосферного давления - и камера сгорания и нагреватель будут значительных размеров, а тепловой поток - с низкой плотностью.

Таким образом, для приготовления сжатой топливной смеси необходимо иметь отдельное устройство, которое будет сжимать воздух, готовить на его основе топливную смесь и подавать ее в камеру сгорания ДВПТ.

Причем, если камера сгорания открытого типа - то, предварительно сжатая, горящая топливная смесь факелом будет вылетать из камеры сгорания.

Если камера сгорания ДВПТ закрытого типа - тогда нужны входные и выходные клапаны газораспределения, да еще, желательно, произвести «детандирование» раскаленных продуктов горения. А это устройство есть не что иное как двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Отсюда вытекает техническое решение - применить ДВС как камеру сгорания ДВПТ.

Новизна этого решения заключается в том, что камера внутреннего сгорания ДВС становится камерой сгорания ДВПТ, при этом стенкой нагревателя, отделяющей камеру сгорания ДВПТ от рабочей камеры ДВПТ, становится двухсторонний рабочий поршень, являющийся общим для ДВПТ и для ДВС.

ДВС имеют свои общеизвестные преимущества и серьезные недостатки.

В двигателях внутреннего сгорания энергия химических связей топлива преобразуется в тепловую энергию в результате сжигания. Образующиеся при сгорании газы расширяются в цилиндре, приводя в движение поршень. Механическая энергия движения поршня передается коленчатому валу.

«… Как известно, даже в самых современных СЭУ (силовая энергетическая установка) около половины энергии, выделяемой при сгорании топлива, отдается окружающей среде с уходящими продуктами сгорания и водой, охлаждающей установку. Коэффициент полезно используемого тепла топлива ДВС составляет 35…40%. Логичным является желание использовать эту теплоту … так как источники теплоты характеризуются достаточно высоким уровнем температур.

В зависимости от типа двигателя температура газов в выпускном коллекторе поршневых двигателей (ДВС) при номинальной нагрузке равна -для четырехтактных дизелей:

- без наддува 360-410 град. С;

- с наддувом 380-450 град. С;

для двухтактных дизелей:

- с наддувом и контурной продувкой 270-380 град. С;

- с прямоточно-клапанной продувкой 360-380 град. С …».

(Смирнов М.Н. Утилизация теплоты от судовой энергетической установки (СЭУ) на примере двигателя внутреннего сгорания (ДВС) // Молодой ученый. - 2017. - №4. - С. 38-41).

На вопрос: если принять теплоту сгорания топливной смеси за 100%, то в каком функционале ДВС, без учета потерь на трение, наиболее эффективен:

- как преобразователь тепловой энергии сгорания топлива в механическую энергию (КПД 35-40%);

- или как генератор высокоплотной тепловой энергии от сгорания топливной смеси (КПД 60-65%)? -

ответ напрашивается сам, и он делает вопрос далеко не риторическим: ДВС наиболее эффективен как компактный генератор высокоплотной тепловой энергии (теплоты отходящих газов - продуктов сгорания и теплоты охлаждения камеры сгорания), да еще и с дополнительным вращением вала.

При этом, если «генерируемую» высокоплотную теплоту использовать для преобразования в механическую энергию, то наиболее эффективным преобразователем тепловой энергии от сжигания топлива - будет гибрид: двухтактный двигатель с внешним подводом теплоты (ДВПТ), генератором теплоты для которого служит, отличающийся простотой, двухтактный ДВС!

К подобному техническому решению можно подойти и с обратной стороны.

Известно немало способов повышения энергетической эффективности двигателей внутреннего сгорания за счет использования «отходящей» теплоты, например, «Способ повышения кпд двигателя внутреннего сгорания за счет утилизации тепловой энергии двигателя» патент РФ №2117803 (опубликован 20.08.1998 г.), которые также диктуют необходимость гибрида: ДВС + ДВПТ. При этом приемистость гибридов определяется работой ДВС.

Требования к такому ДВС, как к двигателю, уходят на второй план (нет необходимости в высокой степени сжатия, в излишнем обеднении горючей смеси), а на первый план выдвигается обеспечение «чистой» теплотой ДВПТ.

Учитывая, что полезная работа все же изначально происходит от теплоты внутреннего сгорания топливной смеси в камере сгорания ДВС - гибридный двигатель более подходит к категории «ДВС с преобразованием теплоты».

Сущность изобретения.

Задачей изобретения является создание простого, но высоконадежного (с длительным ресурсом) гибридного двигателя с достаточной приемистостью и повышенным КПД, за счет внутреннего сгорания топливной смеси и утилизации отходящей теплоты, с минимальными весом и габаритами.

Заявленная цель реализуется использованием ДВС, имеющего встроенный воздушный компрессор, не только в качестве генератора механической энергии, но и в качестве генератора высокоплотной тепловой энергии, совокупно питающей двигатель с внешним подводом теплоты - теплотой охлаждения цилиндра ДВС и теплотой отходящих газов ДВС (см. Фиг. 1).

В варианте 1 - решение поставленной задачи обеспечивает гибридный двигатель, имеющий корпус-картер, с расположенным в нем механизмом преобразования поступательного движения штоков с поршнями во вращательное движение вала, системы воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, и содержащий, как минимум, два ступенчатых цилиндра с головками, каждый из которых включает в себя три камеры переменного объема образованных ступенчатым поршнем имеющим подпоршневую, надпоршневую, межпоршневую рабочие поверхности и межпоршневую юбку, а также разделенные теплоизолятором нагреватель и холодильник, при этом, холодильник выполнен в виде внешней ступенчатой рубашки цилиндра с днищем, в узкой внутренней цилиндрической части которой поверхность поршня и днище образуют подпоршневую камеру воздушного компрессора обеспечивающего подачу воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания смежного (несинфазного) цилиндра, нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра с днищем, в которой головка цилиндра и поверхность поршня образуют заполненную газообразным рабочим телом надпоршневую рабочую или плазменно-вихревую с вводом плазмообразующей энергии рабочую камеру с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным каналом с вытеснительной полостью выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем и холодильником в его широкой части, а днище нагревателя, межпоршневая юбка и поверхность поршня образуют межпоршневую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, каналы отходящих газов из камеры сгорания размещены в теле нагревателя и его днища, а каналы подачи воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания размещены в теле внешней рубашки цилиндра таким образом, что позволяют поршню осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня каналов выходящих на боковую поверхность межпоршневой юбки.

Пропускание «раскаленных» отходящих газов из камеры внутреннего сгорания через канал (каналы) в теле нагревателя, а также использование теплоты «раскаленной» внутренней поверхности камеры сгорания одновременно и в качестве внутренней поверхности рабочей камеры (плазменно-вихревой рабочей камеры) с подводом теплоты для теплопитания нагревателя - позволяет резко уменьшить массогабаритные характеристики, уменьшить теплопотери от перетоков теплоты и использовать преимущества приемистого двухтактного ДВС для теплопитания двухтактного ДВПТ.

Из уровня техники известно устройство: «Аэродинамический клапан для камеры пульсирующего горения» (SU 459612, публикация 05.02.1975 г.), где использовано соединение коаксиальных цилиндрических камер (полостей) газоходными каналами с тангенциальной направленностью, реализующими эффект аэродинамического клапана (газораспределителя), определенные особенности которого применены для настоящего изобретения.

Так, использование в теле нагревателя пустотелой обечайки в качестве объединенного канала отходящих газов с их завихрением - позволяет разделить (распределить) протяженную поверхность нагревателя на две части: «высокотемпературную» внутреннюю (для увеличения удельной мощности ДВПТ) и «низкотемпературную» наружную для наилучшего отбора теплоты у отходящих газов и максимального понижения их температуры на выходе гибридного двигателя (при этом, начиная рабочий процесс расширения с взаимодействия предварительно сжатого рабочего газа с низкотемпературной частью нагревателя), и обходиться одним ДВПТ (одной рабочей камерой с подводом теплоты и одним нагревателем). В противном случае, было бы необходимо иметь два ДВПТ: один с высокотемпературным нагревателем для охлаждения стенок камеры сгорания ДВС, другой - с низкотемпературным нагревателем для отбора теплоты у отходящих газов.

А использование в теле нагревателя пустотелой обечайки не только в качестве канала отходящих газов с их завихрением, но и в качестве камеры для «дожигания» отработанных газов - позволяет улучшить «экологию» выхлопа, при этом обратному поступлению выхлопных газов в камеру сгорания при еще не закрытом поршневом канале отходящих газов будет препятствовать эффект их аэродинамического «запирания».

В варианте 2 - размещение газораспределительного канала (каналов) подвода горючей топливовоздушной смеси/воздуха в теле поршня гибридного двигателя - позволяет применить (для улучшения наполнения двухтактной камеры сгорания горючей смесью/воздухом при уже закрытом канале отходящих из камеры газов после «продувки» камеры сгорания) аэродинамический клапан, размещенный, так же в теле поршня и выполненный в виде соосной торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, приосевым радиальным входящим каналом, связывающим полость с проходящим в теле поршня каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом выходящим из полости на боковую поверхность межпоршневой юбки.

Применение даже простого (с планетарно вращающимся коленчатым валом) бесшатунного механизма преобразования возвратно-поступательного движения штока во вращательное движение выходного вала отбора мощности способствует, с одной стороны, движению поршней по закону близкому к синусоидальному, что исключает вибрации высших порядков двигателя, с другой стороны, увеличивает время «выстоя» - пребывания поршней в крайних мертвых точках, а это ведет к более лучшему сгоранию топливной смеси при постоянном объеме в камере сгорания, а также способствует увеличению времени на «продувку» камеры сгорания, улучшая газообмен.

Для повышения надежности и моторесурса двигатель может иметь составной поршень, тело которого в районе газоотводящих каналов выполнено из жаропрочного металлического сплава, керамики, композитных материалов, что позволит избегать «прогара» от температурной деструкции и освободиться от проблем теплонапряженности поршней, присущих двухтактным ДВС, последствием которых является их «растрескивание».

Перечень фигур чертежей.

Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на чертежи, на которых изображены:

обобщенная блок-схема гибридного двигателя, представленная на фиг. 1;

на фиг. 2, 3 представлен общий вид двигателя в продольном сечении MON;

на фиг. 4 - части поперечных сечений Р-Р, Q-Q фигуры 3, с обозначениями.

Двигатель содержит корпус-картер 1, с расположенным в нем механизмом 2 преобразования поступательного движения штоков 3 во вращательное движение вала 4, пару противофазных ступенчатых цилиндров 5 и 6, в каждом из которых содержится головка 7 и три камеры переменного объема 8, 9, 10 образованных ступенчатым поршнем 11 имеющим надпоршневую 12, межпоршневую 13, подпоршневую 14 рабочую поверхность и поверхность 15 межпоршневой юбки, а также разделенные теплоизолятором 16 нагреватель 17 и холодильник 18, при этом, холодильник выполнен в виде внешней ступенчатой рубашки цилиндра с широкой частью 19, днищем 20, в узкой внутренней цилиндрической части 21 которой поверхность поршня (14) и днище (20) образуют подпоршневую камеру (10) воздушного компрессора обеспечивающего подачу воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания другого, несинфазного (в данном случае - смежного) цилиндра.

Нагреватель (17) выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра с наружной поверхностью 22, внутренней поверхностью 23, и днищем 24, в которой головка цилиндра (7) и поверхность поршня (12) образуют заполненную газообразным рабочим телом надпоршневую рабочую или плазменно-вихревую с вводом 25 плазмообразующей энергии рабочую камеру (8) с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным каналом 26 с вытеснительной полостью 27 выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем (17) и холодильником (18) в его широкой части (19), а днище нагревателя (24), поверхность (15) межпоршневой юбки и поверхность (13) поршня образуют межпоршневую рабочую камеру внутреннего сгорания (9), имеющую со смежной надпоршневой камерой (8) общую внутреннюю цилиндрическую поверхность (23) нагревателя (17), каналы 28 отходящих газов из камеры сгорания (9) размещены в теле нагревателя (17) и его днища (24), а каналы 29 подачи воздуха и/или топливовоздушной смеси в камеру сгорания (9) размещены в теле внешней рубашки цилиндра (21) и ее днище (20) таким образом, что позволяют осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня газоотводящих каналов 30 и воздухоподающих каналов 31 выходящих на боковую поверхность (15) межпоршневой юбки, канал вывода отходящих газов (28) из камеры внутреннего сгорания (9), размещенный в теле цилиндрической части нагревателя (17), выполнен в виде пустотелой обечайки 32 с, как минимум одним, тангенциальным каналом 33, связывающим пустотелую обечайку с камерой внутреннего сгорания (9).

Тело 34 составного поршня (11) в районе юбки поршня (15) выполнено из жаропрочного сплава, и/или керамики, и/или композитного материала.

Аэродинамический клапан подачи воздуха или топливовоздушной смеси расположенный в теле (34) поршня и выполненный в виде торообразной пустотелой полости 35 с, как минимум одним, входным каналом 36, связывающим полость с проходящим в поршне каналом (31) подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом 37 выходящим на боковую поверхность межпоршневой юбки (15).

Двигатель работает следующим образом.

Работа воздушного компрессора.

При увеличении объема подпоршневой камеры воздушного компрессора происходит наполнение камеры (10) атмосферным воздухом/горючей смесью.

При уменьшении объема - выдавливание воздуха/горючей смеси в камеру сгорания смежного противофазного цилиндра через его поршневой канал.

На «входе» и «выходе» камеры воздушного компрессора могут быть установлены лепестковые клапаны и/или вращающийся дисковый 38 золотниковый клапан, либо газораспределительные клапаны других типов, а также электроуправляемые клапаны для корректировки фаз впуска и выпуска.

Также на «входе» и «выходе» камеры воздушного компрессора могут быть установлены ресиверы/аккумуляторы воздуха/смеси, карбюраторы, форсунки.

Работа камеры с подводом теплоты.

При уменьшении объема надпоршневой (8) рабочей (плазменно-вихревой рабочей) камеры с подводом теплоты изначально наполненной рабочим газом (воздух, гелий, водород, углекислый газ, азот, метан, пропан-бутан, прочие моногазы или смеси), происходит его сжатие и выдавливание через тангенциальные каналы в вытеснительную полость с завихрением. За счет направленности вектора скорости вихревого потока рабочего газа к наружной стенке вытеснительной полости образованной внутренней стенкой холодильника (наружной рубашкой цилиндра) происходит «прижатие» потока рабочего газа к стенке с передачей теплоты сжатия холодильнику в результате взаимодействия. При этом взаимодействие вихревого потока рабочего газа с внутренней стенкой вытеснительной полости (образованной наружной поверхностью нагревателя) не является определяющим. При остановке поршня в мертвой точке - вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости прекращается трением и последующей газодинамикой.

При увеличении объема рабочей (плазменно-вихревой рабочей) камеры с подводом теплоты происходит истекание сжатого рабочего газа из вытеснительной полости через тангенциальные каналы с «обратным» завихрением уже в рабочей камере с отбором теплоты за счет расширения газа как от наружной поверхности нагревателя в вытеснительной полости, так и от внутренней поверхности нагревателя внутри рабочей камеры с совершением полезной работы по перемещению поршня и передачей ее вращающемуся валу. При этом рабочая камера и вытеснительная полость совокупно являются камерой подвода теплоты от поверхностей нагревателя.

При подаче в плазменно-вихревую камеру энергии активации (ионизации, диссоциации) рабочего газа через ввод (25) плазмообразующей энергии (активатор) в такте сжатия рабочего газа - реализуется эффект «активной» регенерации теплоты сжатия с переносом ее из такта сжатия в такт расширения, что способствует уменьшению количества теплоты сжатия, «сбрасываемой» в холодильник, а значит - увеличению теплового КПД.

Работа камеры внутреннего сгорания.

При уменьшении объема межпоршневой (9) камеры, являющейся камерой внутреннего сгорания, происходит сжатие ранее помещенных в нее горючей смеси или воздуха (с впрыском топлива через форсунку 39) и воспламенение от воздействия высоковольтного искрового пробоя на свече зажигания 40. Выделившаяся при этом теплота нагревает сжатую смесь, от чего резко возрастает ее давление на межпоршневую рабочую поверхность поршня и производится полезная работа по перемещению поршня с ее передачей выходному валу и рабочей надпоршневой поверхности поршня для сжатия рабочего газа в рабочей камере с подводом теплоты (8).

Воспламенившаяся горючая смесь нагревает внутренние цилиндрические стенки камеры внутреннего сгорания, являющиеся по совокупности внутренней поверхностью нагревателя, а отходящие газы нагревают наружную поверхность нагревателя, являющуюся внутренней поверхностью вытеснительной полости, для чего канал (каналы) отходящих газов проложены в теле днища и стенок нагревателя. При этом, за счет того, что канал отходящих газов проложенный в стенке нагревателя выполнен в виде пустотелой обечайки, а канал, в днище нагревателя выполнен не радиальным, а тангенциальным - происходит завихрение раскаленных отходящих газов с «прижиманием» к наружной поверхности обечайки канала и передачей теплоты «низкотемпературной» поверхности нагревателя (внутренней поверхности вытеснительной полости) для камеры с подводом теплоты. Газоходы 41 на выходе из пустотелой обечайки канала отвода газов служат для выхлопа отходящих газов и могут быть объединены в выхлопные трубки 42 или единую выхлопную трубу (систему) для всех цилиндров двигателя.

Далее, при движении поршня и приближении объема камеры сгорания к максимуму - происходит соединение камеры сгорания через канал (каналы) размещенный в поршне с каналом (каналами) отходящих газов размещенным в теле днища и стенки нагревателя и, с некоторой задержкой, соединение каналов подачи воздуха с камерой сгорания. В результате в камере сгорания происходит «продувка» и газообмен с заменой сгоревшей порции газов на новую порцию воздуха или горючей смеси. При обратном движении поршня на уменьшение объема камеры сгорания - происходит отсечение камеры сгорания от каналов отходящих газов и подачи воздуха/горючей смеси.

Вышеописанная «продувка» камеры сгорания имеет существенный недостаток - при одновременно открытых каналах происходит выброс из камеры сгорания части свежей порции воздуха/горючей смеси в канал отходящих газов, заметно снижающий газонаполнение камеры сгорания (в тоже время надо отметить, что выброс части свежей порции воздуха в канал отходящих газов, будет способствовать дожиганию отходящих газов с их очищением до «экологических норм» и передачей теплоты в нагреватель).

Для усовершенствования этого момента - в канале подачи воздуха/горючей смеси (взамен или в дополнение) применен аэродинамический клапан, расположенный в теле поршня и выполненный в виде торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, приосевым радиальным входным каналом, связывающим полость с проходящим в поршне каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом, выходящим на боковую поверхность межпоршневой юбки и работающий следующим образом.

При движении поршня на открывание каналов, первым с камерой сгорания соединяется тангенциальный канал (каналы) аэродинамического клапана, при этом из-за высокого давления отходящие газы из камеры сгорания поступают по тангенциальному каналу (каналам) в торообразную полость аэродинамического клапана и, «закручиваясь» в вихрь, и, прижимаясь к наружной стенке полости - «запираются», и не могут попасть во входной канал (каналы) торообразной полости, т.е. отсекаются от канала подачи воздуха/топливовоздушной горючей смеси проходящего в теле поршня.

Затем, при соединении камеры сгорания с каналом (каналами) отходящих газов, их давление в камере сгорания из-за истечения резко падает, аэродинамический клапан «отпирается», и после закрытия каналов отходящих газов при дальнейшем обратном ходе поршня, через аэродинамический клапан происходит газонаполнение камеры сгорания новой порцией воздуха/горючей топливовоздушной смеси вплоть до «закрытия» (отсечения от камеры сгорания) тангенциального канала (каналов) аэродинамического клапана, выходящего на боковую поверхность межпоршневой юбки.

При газонаполнении камеры сгорания через тангенциальный канал (каналы) аэродинамического клапана происходит еще и завихрение выходящих потоков для лучшего перемешивания впрыснутой форсункой (39) порции топлива.

В итоге синхронной работы всех камер, происходит наполнение воздухом камеры воздушного компрессора, сжатие и выброс порции воздуха/горючей смеси в камеру сгорания другого (противоположного) цилиндра. При этом в камеру сгорания рассматриваемого цилиндра поступает аналогичная порция воздуха/горючей смеси, сжимается, воспламеняется, расширяется с совершением полезной работы и нагреванием стенки (внутренней стенки нагревателя), и в виде раскаленных отходящих газов сбрасывается, отдавая теплоту наружной стенке нагревателя. В дальнейшем теплота от стенок нагревателя используется для преобразования в дополнительную полезную работу в камере с подводом теплоты, заметно увеличивая КПД гибрида.

Для компрессионного разделения рабочих камер друг от друга - гибридный двигатель (подобно адиабатному двигателю) может иметь несмазываемые (сухие) компрессионные уплотнения поршня, юбки и стенок рабочих камер (сжимные и обжимные кольца), выполненные из композитных материалов, а для отделения камеры воздушного компрессора от внутрикартерного пространства - обычные широко распространенные штоковые уплотнения.

При использовании в качестве как топлива, так и рабочего газа ДВПТ (газообразных или сжиженных) метана или пропан-бутановой смеси - можно обойтись без использования поршневых компрессионных колец между камерой с подводом теплоты и камерой внутреннего сгорания, так как, с одной стороны, в камерах предполагаются не слишком высокие степени сжатия - поэтому рабочий газ пробившийся сквозь зазор поршень-цилиндр из камеры ДВПТ будет использован в камере ДВС в качестве топлива с увеличением подачи (в процессе сжатия в ДВПТ) и дожиганием при выпуске, а продукты горящей топливо-воздушной смеси, попавшие из камеры сгорания ДВС в камеру ДВПТ, будут «разбавлять» рабочий газ воздухом (смесью азота и кислорода), окисью и двуокисью углерода, паров воды и других компонентов, присущих «выхлопу» ДВС (с преобразованием в камере ДВПТ твердофазного углерода в газообразную окись), но за счет постоянного поступления в камеру ДВПТ рабочего газа - его концентрация будет восстанавливаться до определенного уровня, с другой стороны - выработка в обеих камерах некоторого количества углерода в твердой фазе будет закоксовывать, «натирая углеродом», и очищать зазор, обеспечивая «газодинамическую смазку».

Использование сжиженного метана в качестве топлива и рабочего газа является наиболее перспективным в районах крайнего Севера и дальнего Востока, в связи с наличием там производств по добыче и сжижению метана.

Поддержание оптимальных температур внутренней стенки камеры внутреннего сгорания и температуры отходящих газов на выходе гибридного двигателя при различных режимах его работы обеспечивается изменением начального (в начале такта сжатия) давления рабочего газа в рабочей камере с подводом теплоты за счет впрыска или стравливания порций рабочего газа, соотношением объема вытеснительной полости к объему рабочей камеры с подводом теплоты, газодинамическим сопротивлением тангенциальных каналов ДВПТ, зависящим от их проходных сечений и общего количества, уровнем подводимой мощности активирующей плазмообразующей энергии, а также регулированием элементов ДВС: управление положением дроссельной заслонки 43, управление фазами воздухоподачи, а также фазой и количеством впрыска топлива форсункой, управление моментом зажигания, преднаддувом.

Дополнение теплового двигателя электрической машиной на валу: стартер-генератор-двигателем с аккумуляторной и/или конденсаторной батареей - позволит существенно улучшить его эксплуатационные возможности по форсажу тяги и торможению с рекуперацией, по экономии топлива и экологии.

Техническим результатом изобретения является совершенствование газораспределительных механизмов, увеличение приемистости и удельной мощности двигателя, повышение КПД, надежности и моторесурса.

Группа изобретений относится к гибридным тепловым двигателям внутреннего сгорания и с внешним подводом теплоты. Техническим результатом являются увеличение приемистости и удельной мощности двигателя, повышение КПД, надежности и моторесурса. Сущность изобретений заключается в том, что двигатель, помимо корпуса с бесшатунным механизмом преобразования движения штоков во вращение вала, систем воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, содержит, как минимум, два противофазных ступенчатых цилиндра с головками, каждый из которых включает в себя три камеры переменного объема, образованные ступенчатым поршнем, а именно: подпоршневую камеру воздушного компрессора, надпоршневую рабочую камеру с подводом теплоты и межпоршневую рабочую камеру внутреннего сгорания, а также разделенные теплоизолятором нагреватель, выполненный в виде внутренней рубашки цилиндра, и холодильник - в виде внешней рубашки, расположенную между нагревателем и холодильником вытеснительную полость, выполненную в виде пустотелой обечайки и связанную тангенциальным каналом с надпоршневой камерой. Каналы отходящих газов из камеры сгорания размещены в теле нагревателя и его днища, а каналы подачи воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания размещены в теле внешней рубашки цилиндра таким образом, что позволяют поршню осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в нем каналов. Введение плазмообразующей энергии в рабочую камеру с подводом теплоты позволит осуществить «активную» регенерацию теплоты сжатия с переносом ее из такта сжатия в такт расширения и улучшить тепловой КПД гибрида. Поршень для улучшения газообмена может содержать аэродинамический клапан подачи воздуха или топливовоздушной смеси в межпоршневую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель, имеющий корпус-картер, с расположенным в нем механизмом преобразования поступательного движения штоков с поршнями во вращательное движение вала, системы воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, характеризующийся тем, что содержит, как минимум, два ступенчатых цилиндра с головками, каждый из которых включает в себя три камеры переменного объема, образованных ступенчатым поршнем, имеющим подпоршневую, надпоршневую, межпоршневую рабочие поверхности и межпоршневую юбку, а также разделенные теплоизолятором нагреватель и холодильник, при этом холодильник выполнен в виде внешней ступенчатой рубашки цилиндра с днищем, в узкой внутренней цилиндрической части которой поверхность поршня и днище образуют подпоршневую камеру воздушного компрессора, обеспечивающего подачу воздуха или топливовоздушной смеси, нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра с днищем, в которой головка цилиндра и поверхность поршня образуют заполненную газообразным рабочим телом надпоршневую рабочую или плазменно-вихревую с вводом плазмообразующей энергии рабочую камеру с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным каналом с вытеснительной полостью, выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем и холодильником в его широкой части, а днище нагревателя, межпоршневая юбка и поверхность поршня образуют межпоршневую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, каналы отходящих газов из камеры сгорания размещены в теле нагревателя и его днища, а каналы подачи воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания размещены в теле внешней рубашки цилиндра таким образом, что позволяют поршню осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня каналов, выходящих на боковую поверхность межпоршневой юбки.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что канал вывода отходящих газов из камеры внутреннего сгорания, размещенный в теле цилиндрической части нагревателя, выполнен в виде пустотелой обечайки с, как минимум одним, тангенциальным каналом, связывающим пустотелую обечайку с камерой внутреннего сгорания.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что содержит составной поршень, тело которого в районе юбки поршня выполнено из жаропрочного металлического сплава, и/или керамики, и/или композитного материала.

4. Двигатель, имеющий корпус-картер с расположенным в нем механизмом преобразования поступательного движения штоков с поршнями во вращательное движение вала, системы воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, и содержащий, как минимум, два ступенчатых цилиндра с головками, каждый из которых включает в себя три камеры переменного объема, образованных ступенчатым поршнем, имеющим подпоршневую, надпоршневую, межпоршневую рабочие поверхности и межпоршневую юбку, а также разделенные теплоизолятором нагреватель и холодильник, при этом холодильник выполнен в виде внешней ступенчатой рубашки цилиндра с днищем, в узкой внутренней цилиндрической части которой поверхность поршня и днище образуют подпоршневую камеру воздушного компрессора, обеспечивающего подачу воздуха или топливовоздушной смеси, нагреватель выполнен в виде внутренней рубашки цилиндра с днищем, в которой головка цилиндра и поверхность поршня образуют заполненную газообразным рабочим телом надпоршневую рабочую или плазменно-вихревую с вводом плазмообразующей энергии рабочую камеру с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным каналом с вытеснительной полостью, выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем и холодильником в его широкой части, а днище нагревателя, межпоршневая юбка и поверхность поршня образуют межпоршневую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, каналы отходящих газов из камеры сгорания размещены в теле нагревателя и его днища, а каналы подачи воздуха или топливовоздушной смеси в камеру сгорания размещены в теле внешней рубашки цилиндра таким образом, что позволяют поршню осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня каналов, выходящих на боковую поверхность межпоршневой юбки, отличающийся тем, что дополнительно содержит аэродинамический клапан подачи воздуха или топливовоздушной смеси, расположенный в теле поршня и выполненный в виде торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, входным каналом, связывающим полость с проходящим в поршне каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом, выходящим на боковую поверхность межпоршневой юбки.

5. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что канал вывода отходящих газов из камеры внутреннего сгорания, размещенный в теле цилиндрической части нагревателя, выполнен в виде пустотелой обечайки с, как минимум одним, тангенциальным каналом, связывающим пустотелую обечайку с камерой внутреннего сгорания.

6. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что содержит составной поршень, тело которого в районе юбки поршня выполнено из жаропрочного металлического сплава, и/или керамики, и/или композитного материала.

7. Двигатель по п. 4, отличающийся тем, что дополнительно содержит электрическую машину, размещенную на выходном валу.