Группа изобретений относится к машиностроению и может быть применена в двигателях вообще, в двигателях внутреннего сгорания, в гидравлических машинах и двигателях, в гидравлических машинах объемного вытеснения, в деталях машин.
Единый общий изобретательский замысел предполагаемых изобретений заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях и при движении потоков жидкостей, а также в одновременном использовании:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Комплексный подход к использованию и оптимизации различных категорий газодинамических и гидродинамических энергий позволяет повысить степень использования энергии рабочего тела для совершения механической работы и соответственно повысить мощность и КПД двигателей.
Уровень техники
Известны различные способы работы двигателя внутреннего сгорания, которые можно разделить:
- простейший способ с устройством четырехтактного цикла «впуск - сжатие - рабочий ход - выпуск», при этом между тактом выпуска и тактом впуска существует некоторый временной промежуток их взаимного наложения, что изложено в технической литературе, например https://infopedia.su/5x51ee.html, Руководстве по эксплуатации №850.3902150 двигателей ЯМЗ-850.10ЯМЗ-8501.10 ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ" (Ярославский моторный завод);
- усовершенствованные способы с применением турбонаддува, подачей в цилиндры предварительно сжатых компонентов топливной смеси, с использованием шеститактного цикла и пр., что изложено, например: в учебных материалах ///// Автомобильные двигатели: учебник для студ.
учреждений высш. проф. образования / [М.Г. Шатров, К.А. Морозов, И.В. Алексеев и др.]; под ред. М.Г. Шатрова. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Издательский центр «Академия», 2013. - 464 с. - (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5-4468-0186-2, ///// Тер-Мкртичьян, Г.Г. «Двигатели внутреннего сгорания с нетрадиционными рабочими циклами» учеб. пособие / Г.Г. Тер-Мкртичьян. - М.: МАДИ, ISBN 978-5-7962-0202-9, УДК 621.43, ББК 31.365 /.
Общим недостатком известных из уровня техники способов работы двигателя внутреннего сгорания является неполноценное очищение цилиндра после такта выпуска, особенно в двигателях с турбонаддувом ввиду повышенного сопротивления турбины улиткообразного типа выходу выхлопных газов. Для повышения степени очистки цилиндра после такта выпуска прибегают к более позднему (на 5°-15°) закрытию выхлопного клапана после прохождения поршнем ВМТ (верхней мертвой точки) и более раннему (на 5°-10°) открытию впускного клапана до прохождения поршнем ВМТ. Но из-за совместного открытия клапанов часть выхлопных газов может попадать во впускной коллектор и вследствие этого ухудшать КПД (коэффициент полезного действия) и мощность двигателя.
Известны различные способы работы двигателей турбинного типа, которые можно разделить:
- турбины на принципе Тесла с подачей рабочего тела в направлении по касательной к окружности колеса турбины с переходом в процессе работы рабочего тела к центру вращения колеса турбины;
- работающие по принципу водяного колеса с одновременным использованием кинетической, потенциальной энергий и выходом рабочего тела в процессе работы по направлению касательной линии к окружности колеса;
- турбины на принципе Лаваля с подачей рабочего тела продольно оси вращения колеса турбины.
Известны способы работы двигателей турбинного типа изложены в технической и патентной литературе, например в учебном пособии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кафедры ТГТД МГТУ «МАМИ» Б.Н. Давыдков В.Н. Каминский «Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей» Учебное пособие для студентов специальностей 140501.65 «Двигатели внутреннего сгорания», 140503.65 «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели», патенте РФ 2016221 «Гидравлическая реактивная турбина».
Общим недостатком известных устройств является недоиспользование выделяемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях, а также в отсутствие одновременного использования:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
1. В известном уровне техники широко распространены турбины, где вход отработанных газов происходит в плоскости вращения колеса в улиткообразный корпус турбины, а выход газов происходит перпендикулярно оси вращения турбины из средней части корпуса (http:/www.turbolader.ru/).
Общим недостатком известных устройств является недоиспользование выделяемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях, а также в отсутствии одновременного использования:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Наиболее близким к устройством (патент РФ №2172432) из известного ровня техники к заявляемому турбодвигателю является турбина, состоящая и корпуса турбины типа улитки, обеспечивающего вход газов по касательной к окружности колеса и выход газов из центральной части корпуса продольно оси вращения колеса, выполненного на оси колеса турбины с расположенными в радиальном направлении лопатками.
Известное устройство имеет существенный недостаток - устройство не применимо для пятитактного двигателя, т.к. не обеспечивается техническая возможность искусственного понижения давления в выпускном тракте двигателя низкого давления пятитактного двигателя.
Известное устройство имеет существенный недостаток также вследствие повышенного сопротивления улиточного элемента турбины за счет создаваемого вращением газов противодавления, из-за чего происходит неполное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - мощность держателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.
Технический результат изобретения заключается в наиболее полном использовании выделяемой энергии:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Также техническим результатом изобретения является снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов, что в случае использования предлагаемого турбодвигателя в системах газораспределения четырехтактных двигателей позволяет осуществлять более полное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - повышение мощности двигателя и снижение расхода топлива.
Технический результат достигается следующим (фиг. 5 и 6).
На основе конструкции турбины выполнен турбодвигатель, состоящий из корпуса 1 с не менее чем одной парой последовательно расположенных по касательной к окружности колеса 4 соплового входа 8 и диффузорного выхода 9 газов, соединенных между собой поворотными полостями 10 для разворота газов и с установленными в корпусе 1 турбодвигателя колесом 4 цилиндро-лопаточного типа, выполненного в виде монолитного колеса с углублениями 11 в тангенциальном направлении от круглого до прямоугольного сечения с криволинейным днищем, при этом расстояния [а] между сопловым входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя превышают размер сегмента [b[окружности колеса в месте его углубления.
Совокупное взаиморасположение соплового входа газов, диффузорного выхода газов, конфигурация углубления колеса и взаимное соотношение расстояний между сопловым входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя создает эффект поршня.
Совокупность взаимного расположения соплового входа газов, диффузорного выхода газов, конфигурация углубления колеса и взаимное соотношение расстояний между сопловыми входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя обеспечивает наиболее полное использование выделяемой энергии:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Углубления монолитного колеса в качестве варианта выполняют изогнуто-каплевидного сечения с направлением острия капли обратно вращению колеса. Это обеспечивает наилучшие газодинамические характеристики при работе устройства в целом.
Устройство работает следующим образом (фиг. 5 и 6).
В корпус 1 турбодвигателя поступают выхлопные газы высокого давления (фиг. 6) через сопловой вход 8, напротив которого по касательной к окружности колеса расположен диффузорный выход 9. Газы создают давление на колесо 4 по касательной линии, т.к. между сопловым входом 8 и диффузорным выходом 9 имеется градиент давления. Первоначально газ наполняет углубление 11 монолитного колеса, создавая на него давление вдоль касательной линии окружности колеса 4, чем создается крутящий момент на ось колеса и таким образом реализуется наиболее полное использование энергии, выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости или газа. А с началом вращения колеса 4 по мере удаления углубления 11 от соплового входа 8, происходит совершение работы газом, описываемое в физике как произведение силы на расстояние. Таким образом создается эффект поршня Последовательное расположение углублений 11 позволяет создавать постоянное давление вдоль касательной линии колеса 4 при его вращении.
С началом вращения колеса 4 прорвавшиеся сквозь неплотности в сопряжениях на первом участке газы и первично отработанные газы поступают в диффузорный выход 9, разворачиваются снова воль касательной линии колеса 4 и поступают на последующие углубления в колесе. После прохождения всех участков углублений газы высокого давления выпускаются из корпуса турбодвигателя 1.
При работе в номинальном режиме также используется кинетическая энергия рабочего тела.
При положении углубления 11, соответствующему началу открытия полости в сторону диффузорного выхода 9, создается реактивный эффект от выхода рабочего тела из углубления.
Таким образом, обеспечивается наиболее полное использование выделяемой энергии:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Также обеспечивается применение описываемого устройства в газораспределительной схеме пятитактного двигателя, снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов.
2. В известном уровне техники широко распространены турбины, где вход отработанных газов происходит в плоскости вращения колеса в улиткообразный корпус турбины, а выход газов происходит перпендикулярно оси вращения турбины из средней части корпуса (http:/www.turbolader.ru/).
Общим недостатком известных устройств является недоиспользование выделяемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях, а также в отсутствии одновременного использования:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Наиболее близким к устройством (патент РФ №2519541) из известного ровня техники к заявляемому турбодвигателю является турбина, состоящая и корпуса турбины типа улитки, обеспечивающего вход газов по касательной к окружности колеса и выход газов из центральной части корпуса продольно оси вращения колеса, выполненного на оси колеса турбины с расположенными в в радиальном направлении лопатками.
Известное устройство имеет существенный недостаток - устройство не применимо для пятитактного двигателя, т.к. не обеспечивается техническая возможность искусственного понижения давления в выпускном тракте двигателя низкого давления пятитактного двигателя.
Известное устройство имеет существенный недостаток также вследствие повышенного сопротивления улиточного элемента турбины за счет создаваемого вращением газов противодавления, из-за чего происходит неполное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта ''выпуска'', как следствие - мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.
Технический результат изобретения заключается в наиболее полном использовании выделяемой энергии:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Также техническим результатом изобретения является снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов, что в случае использования предлагаемого турбодвигателя в системах газораспределение четырехтактных двигателей позволяет осуществлять более полное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - повышение мощности двигателя и снижение расхода топлива.
Технический результат достигается следующим (фиг. 9-12).
На основе конструкции турбины выполнен турбодвигатель, состоящий из корпуса 1 с установленным в нем колесом 4 реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной выполненной параллельно плоскости колеса 4 полостью 12, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр 13 шириной [с] с рабочим объемом 14, образованным лопатками 15 колеса 4, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из цилиндра.
На фиг. 13 отображен вариант конического исполнения цилиндра.
Коническое исполнение цилиндра позволяет отгибать пластины лопаток на наибольшие углы назад вращению колеса.
Совокупное взаиморасположение корпуса с установленным в нем колесом реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной выполненной параллельно плоскости колеса полостью, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр с рабочим объемом, образованным лопатками колеса, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается или уменьшается в направлении выхода газов из цилиндра, создает эффект реактивного сопла между лопатками в месте выхода газов из цилиндра.
Совокупность взаиморасположение корпуса с установленным в нем колесом реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной и выполненной параллельно плоскости колеса полостью, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр с рабочим объемом, образованным лопатками колеса расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается или уменьшается в направлении выхода газов из цилиндра, создается эффект реактивного сопла между лопатками в месте выхода газов из цилиндра обеспечивает наиболее полное использование выделяемой энергии:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Устройство работает следующим образом (фиг. 9-13).
В корпус 1 турбодвигателя поступают выхлопные газы высокого давления (фиг. 10) через сопловый вход 16. Газы создают давление на колесо по касательной линии, т.к. между сопловым входом 16 и переходными цилиндрами 13 имеется градиент давления. Первоначально газ передает кинетическую энергию на лопатки 15 колеса 4, создавая на него давление вдоль касательной линии окружности колеса 4, чем создается крутящий момент на ось 7 колеса и таким образом реализуется использование кинетической энергии газов высокого давления.
Существующий постоянный градиент давления между сопловым входом 16, рабочим объемом 14 и далее полостью 12 вызывает движение газов между лопатками 15, выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается или уменьшается в направлении выхода газов из цилиндра 13. Движение газов между лопатками 15 вызывает их расширение вследствие падения их давления, а при не увеличивающейся площади или уменьшающейся площади сечения каналов между лопатками 15 в направлении движения газов приводит к росту их скорости, вызывая эффект реактивного сопла в месте выхода газов с лопаток 15 колеса 4 в полость 12.
При варианте конического исполнения цилиндра (фиг. 13) пластины лопаток 15 отогнуты на наибольшие углы назад вращению колеса и наибольшим образом уменьшают площадь сечения каналов между лопатками 15 в направлении движения газов, что позволяет усилить эффект реактивного сопла.
Таким образом, обеспечивается наиболее полное использование выделяемой энергии:
- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;
- кинетической энергии рабочего тела;
- реактивной энергии рабочего тела.
Также обеспечивается применение в газораспределительной схеме пятитактного двигателя, снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов.
3. Известно устройство по патенту WO/2015/183064 Международная Заявка № РСТ/МА2015/000005 АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ВСАСЫВАНИЯ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ.
Устройство дня отвода газов из двигателя и подачи свежего воздуха в цилиндры имеет название турбокомпрессор-вакуум и выполнено в виде турбокомпрессора и вакуумного центробежного насоса. Колеса турбокомпрессора и вакуумного центробежного насоса установлены на одной оси. Выхлопные газы из вакуумного насоса и турбины отводят в общий бак.
Известное устройство обладает рядом недостатков.
а) В известном устройстве выхлопные газы из тракта высокого давления и из тракта низкого давления выводятся в общий бак. Объединение выхлопных газов из трактов высокого и низкого давления приводит к повышению давления в общем баке, что препятствует оттоку газов низкого давления из цилиндров и является существенным недостатком, противоречащим замыслу изобретения, а именно его конечной цели - снижению сопротивления выхлопу газов низкого давления.
б) В предлагаемом устройстве колесо турбины (фиг. 1 описания) выполнено классическим с установкой в корпус в виде улитки, а это усложняет корпус турбины в случае его блокировки с вакуумным насосом и с компрессором. С другой стороны, форма турбины в виде улитки сдерживает отвод газов из цилиндров двигателя, т.к. центробежная сила в турбине создает противодавление. Это противодавление может составлять ориентировочно 0,03-0,05 МПа.
в) Блокировка корпусов турбокомпрессора и вакуумного насоса конструктивно сложна из-за того, что колесо турбины установлено по в средней части оси, поэтому отвод газов из улитки турбины осложняется, а блокировка корпусов и установка подшипников усложняются, поэтому устройство возможно создать только удлиненного вида.
Технический результат изобретения заключается:
а) В снижении сопротивления выхлопу газов низкого давления.
б) В снижении противодавления в турбине выходу газов из тракта высокого давления.
в) В упрощении конструкции турбокомпрессор-вакуума и компактности конструкции, в упрощении блокировки устройства в единый корпус.
Технический результат достигается следующим (фиг. 5-12).
а) Снижение сопротивления выхлопу газов низкого давления достигается тем, что выхлопные газы из турбины и выхлопные газы из вакуумного насоса не объединяют ввиду того, что выхлопные газы из турбины могут иметь больший объем расхода (выброса в единицу времени) и большее давление поэтому могут существенно задерживать выход газов из вакуумного насоса, снижая эффективность его работы и соответственно ухудшая отвод газов из цилиндров. Объем выхода газов и турбины может составлять около 90% от общего количества отработанных газов.
б) Противодавление в турбине выходу газов из тракта высокого давления снижается в результате изменения конструкции турбины с формы улитки на форму, позволяющую подавать выхлопные газы по касательной траектории к колесу и выбрасывать их также так же по касательной к колесу (см. описание выше по п. 8, 9). В этом случае газы при выходе из турбины не преодолевают центробежную силу, возникающую при их вращении, в отличие от известного устройства турбины с корпусом в виде улитки.
в) Упрощение конструкции устройства и компактность конструкции, упрощение блокировки устройства в единый корпус достигаются тем, что корпус турбины обеспечивает выход газов из турбины по касательной траектории (Фиг. 5 разрез А-А, Фиг. 6, Фиг. 9 разрезы Г-Г, Д-Д, Е-Е, Фиг. 10-12).
4) Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырехтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-850.10, ЯМЗ-850.10-01, ЯМЗ-8501.10 Ярославского моторного завода ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ" (Руководство по эксплуатации 850,3902150 РЭ).
Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск) с фазами газораспределения
- впускные клапаны - открытие 10° до ВМТ, закрытие 46° после НМТ;
- выпускные клапаны - открытие 66° до НМТ, закрытие 10° после ВМТ.
Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом происходит из-за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону нижней мертвой точки (НМТ).
Давление в конце такта впуска для безнаддувного двигателя внутреннего сгорания = 0,118 МПа.
Второй такт работы двигателя - сжатие - осуществляется при повороте кривошипа на угол φ от 226 до 360°.
Третий такт работы двигателя расширение (φ от 360 до 426° ПКВ).
В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ.
Четвертый такт работы двигателя - выпуск (φ от 426 до 730° ПКВ) - осуществляется при давлении pr = 1,0…0,12 МПа, зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе.
Известный способ имеет существенный недостаток из-за раннего открытия выпускного клапана, неполного освобождения цилиндров от отработанных газов при завершении такта «выпуск», из-за чего мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.
Неполное освобождение цилиндров от отработанных газов вызвано газодинамическим сопротивлением в выпускном тракте двигателя.
Так как такт выпуска составляет более 90 градусов, то в момент завершения такта выпуска в каком-либо цилиндре из другого цилиндра на начальной стадии такта выпуска в коллектор выбрасываются газы высокого давления - таким образом в коллекторе постоянно сохраняется избыточное давление. По этой причине падает мощность двигателя, а для освобождения цилиндров от отработанных газов прибегают к закрытию выпускного клапана после прохождения ВМТ при открытом впускном клапане, что в свою очередь
также ведет к попаданию отработанных газов во впускной коллектор, ухудшению качества рабочего тела.
Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания путем разделения такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления с фазами газораспределения:
- впускные клапаны - открытие 0-1° после ВМТ, закрытие 20-30° после НМТ;
- выпускные клапаны высокого давления - открытие 20-30° до НМТ, закрытие 10-20° после НМТ;
- выпускные клапаны низкого давления - открытие 0-10° до НМТ, закрытие 1-2° после ВМТ.
Технический результат достигается следующим.
В способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактный раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск), включают разделение четвертого такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления Таким образом создают пятый такт выпуска газов низкого давления, чем обеспечивают разделение такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления с фазами газораспределения:
- впускные клапаны - открытие 0-1° после ВМТ, закрытие 20-30° после НМТ;
- выпускные клапаны высокого давления - открытие 20-30° до НМТ, закрытие 10-20° после НМТ;
- выпускные клапаны низкого давления - открытие 0-10° до НМТ, закрытие 1-2° после ВМТ. Это позволяет увеличить рабочий ход поршня, снизить газодинамическое сопротивление отработанных газов на выходе их из цилиндров, обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в совокупности позволяет поднять мощность двигателя.
Отличие предлагаемого способа от известного в следующем.
Впускной клапан начинает открываться при угле 0-1° после ВМТ, что обеспечивает практически полное отсутствие совместного открытия клапанов при переходе от такта «выпуск» к такту «впуск», т.к. окончание закрытия выпускного клапана низкого давления происходит при угле поворота коленчатого вала 1-2° после ВМТ. На величину совместного открытия клапанов влияет величина теплового зазора и его изменение в процессе работы двигателя. Впускной клапан закрывается при угле поворота коленчатого вала 20-30° после НМТ. Фактически устанавливают углы открытия и закрытия клапанов опытным путем, испытывая двигатель на разных режимах работы.
Далее происходит такт сжатия до угла поворота коленчатого вала 360°.
При рабочем ходе выпускной клапан высокого давления открывается при угле 20-30° до НМТ, а газы высокого давления направляются на турбодвигатель или в тракт выпуска газов высокого давления. Закрытие клапана высокого давления происходит при угле поворота коленчатого вала 10-20° после НМТ. Давление выхлопных газов высокого давления падает 1,2-1,0 МПа при начале такта выпуска выхлопных газов высокого давления до 0,2-0,1 МПа в конце такта.
До завершения такта выпуска газов высокого давления начинается такт выпуска выхлопных газов низкого давления открытием выпускного клапана низкого давления при угле 0-10° до НМТ, а газы низкого давления направляются на вакуумный насос или в тракт выпуска газов низкого давления. Закрытие клапана низкого давления происходит при угле поворота коленчатого вала 1-2° после ВМТ. Давление выхлопных газов низкого давления падает с 0,2 - 0,1 МПа при начале такта выпуска выхлопных газов низкого давления до 0,1-0,05 МПа в конце такта. Низкое давление выхлопных газов в конце пятого такта обеспечивает низкое газодинамическое сопротивление поршню при его движении от НМТ к ВМТ, а также обеспечивает наиболее полное очищение цилиндров от выхлопных газов в конце такта выпуска выхлопных газов низкого давления. Фактически устанавливают углы открытия и закрытия клапанов опытным путем, испытывая двигатель на разных режимах работы.
Таким образом, пятый такт обеспечивает снижение давления в выпускном тракте до уровня атмосферного или ниже, а в конце такта выпуска происходит наиболее полное очищение цилиндра от выхлопных газов. Это позволяет обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в свою очередь позволяет поднять мощность двигателя за счет меньшего газодинамического сопротивления выходу отработанных газов при движении поршня от НМТ к ВМТ.
Группа изобретений относится к области двигателей внутреннего сгорания с наддувом. Технический результат заключается в повышении мощности двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретений заключается в том, что оптимизированы углы фаз газораспределения двигателя, именно: впускные клапаны - открытие 0-1° после ВМТ, закрытие 20-30° после НМТ, выпускные клапаны высокого давления - открытие 20-30° до НМТ, закрытие 10-20° после НМТ, выпускные клапаны низкого давления - открытие 0-10° до НМТ, закрытие 1-2° после ВМТ. Конструкция турбины позволяет исключить противодавление выхлопу газов, возникающее от центробежной силы в турбине. Устройство для откачки выхлопных газов из выпускного тракта двигателя выполнено компактно сблокированным из корпусов турбины, компрессора и вакуумного насоса. 4 н. и 3 з.п. ф-лы, 13 ил.
1. Турбина, состоящая из корпуса турбины типа улитки, обеспечивающего вход газов по касательной к окружности колеса и выход газов из центральной части корпуса продольно оси вращения колеса, выполненного на оси колеса турбины с расположенными в радиальном направлении лопатками, отличающаяся тем, что состоит из корпуса с не менее чем одной парой последовательно расположенных по касательной к окружности колеса соплового входа и диффузорного выхода газов, соединенных между собой поворотными полостями, и с установленным в корпусе турбины колесом, выполненным в виде монолитного колеса с углублениями в тангенциальном направлении от круглого до прямоугольного сечения с криволинейным днищем, при этом расстояния между сопловым входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя превышают размер сегмента окружности колеса в месте углубления.
2. Турбина, состоящая из корпуса турбины типа улитки, обеспечивающего вход газов по касательной к окружности колеса и выход газов из центральной части корпуса продольно оси вращения колеса, выполненного на оси колеса турбины с расположенными в радиальном направлении лопатками, отличающаяся тем, что состоит из корпуса с установленным в нем колесом реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной выполненной параллельно плоскости колеса полостью, сообщающейся через переходной цилиндр с рабочим объемом, образованным лопатками колеса, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из переходного цилиндра, а такое совокупное взаиморасположение корпуса с установленным в нем колесом реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной выполненной параллельно плоскости колеса полостью, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр с рабочим объемом, образованным лопатками колеса, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из переходного цилиндра, образует реактивное сопло между лопатками в месте выхода газов из цилиндра, создающих реактивную силу.
3. Устройство, состоящее из сблокированных между собой корпусов турбины, компрессора и вакуумного насоса, с установленными в нем на одной оси колеса турбины компрессора и вакуумного насоса, отличающееся тем, турбина выполнена по любому из п. 1 или 2.
4. Способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактного раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя "впуск", второй такт работы двигателя "сжатие", третий такт работы двигателя "расширение", четвертый такт работы двигателя "выпуск" с фазами газораспределения:
- впускные клапаны - открытие 10° до ВМТ, закрытие 46° после НМТ;
- выпускные клапаны - открытие 66° до НМТ, закрытие 10° после ВМТ, отличающийся тем, что такт выпуска выхлопных газов разделен на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления с фазами газораспределения:
- впускные клапаны - открытие 0-1° после ВМТ, закрытие 20-30° после НМТ;
- выпускные клапаны высокого давления - открытие 20-30° до НМТ, закрытие 10-20° после НМТ;
- выпускные клапаны низкого давления - открытие 0-10° до НМТ, закрытие 1-2° после ВМТ.
5. Турбина по п. 1, отличающаяся тем, что углубления монолитного колеса выполняют изогнуто-каплевидного сечения с направлением острия капли обратно вращению колеса.
6. Турбина по п. 2, отличающаяся тем, что переходной цилиндр может быть выполнен коническим, а пластины лопаток отогнуты на наибольшие углы назад вращению колеса и наибольшим образом уменьшают площадь сечения каналов между лопатками в направлении движения газов.
7. Способ по п. 4, отличающийся тем, что выпуск газов высокого и низкого давления осуществляют через устройство по п. 3.
| US 9080523 B1, 14.07.2015 | |||
| WO 2013166257 А2, 07.11.2013 | |||
| WO 2015183064 A1, 03.12.2015 | |||
| ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ) | 2006 |
|
RU2347923C2 |
| ФОРКАМЕРНЫЙ РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2008 |
|
RU2387851C2 |
| US 2005188675 A1, 01.09.2005 | |||
| US 6062178 A, 16.05.2000 | |||
| US 6595183 B1, 22.07.2003 | |||
| US 2011197582 A1, 18.08.2011 | |||
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2011 |
|
RU2465469C2 |
