Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, конкретно к двигателестроению двигателей внутреннего сгорания с золотниковыми газораспределительными механизмами размещенных в головке цилиндров, а именно к двухтактным поршневым двигателям с детонационным воспламенением топливовоздушной смеси
Экспериментами установлено, что при степени сжатия в 8,5, когда давление сжатой Рабочей Смеси достигает 18-20 атмосфер, при использовании 92 бензина, детонационно сгорает от 3 до 5% паров топлива - предельно приемлемый показатель, а при достижении давления сжатия в 34 атмосфер (степень сжатия 22-23), то Рабочая Смесь с парами 92 бензина будет на 100% сгорать в режиме детонации - объемного взрыва.
Соколик А.С., Сгорание в транспортных поршневых двигателях. Изд. АН СССР, 1951, стр. 37.) [1]
Детонационная стойкость или октановое число марок бензина и соответствующая им степень сжатия (далее СС) определены и используется при конструировании двс с принудительным воспламенением.
Октановое число и степень сжатия. AVTO - BLOGGER.RU YOUTUBE [2]
Сжатая рабочая топливовоздушная смесь может сгорает в двух режимах отличающихся интенсивностью горения и скоростью этого процесса:
А) нормальное горение - со скоростью горения 20-30 м/сек.;
Б) взрывное (детонационное) сгорание - со скоростью около 2000 м/сек.;
При этом температура газов горения резко повышается - до 3500 - 4000 градусов Цельсия,
«……Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий КПД детонационного режима сгорания топлива, то появился бы двигатель внутреннего сгорания, который бы значительно превысил нынешний уровень КПД современных поршневых двигателей, а удельная мощность (отношение веса двигателя к его мощности) в два раза бы превзошла современных лидеров этого показателя - газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса.»
Исаев И. «Возможен ли детонационный двигатель?» [3]
Известны двигатели внутреннего сгорания с золотниковым (бесклапанным) газораспределения, которое осуществляется постоянно вращающимися цилиндрическими, коническими или дисковыми золотниками
А.С. Орлин, «ДВС. Конструирование и расчеты на прочность поршневых двигателей», М., Машиностроение, 1984 г.. стр. 284-287). [4]
К основным недостаткам золотникового газораспределения следует отнести:
- трудность при изготовлении цилиндрических и конических золотников высокой точности и невысокая степень герметичности цилиндрических и конических золотников;
- затруднительность отвода тепла из-за зазора между втулкой и золотником;
- повышенный износ золотниковых пар и особенно дисковых золотников, постоянно вращающихся с большой скоростью и под большой нагрузкой при отсутствии смазки.
и невозможность работы в режиме детонационного воспламенения топливовоздушной смеси
Известен двигатель внутреннего сгорания с регулируемыми: степенью сжатия перемещением головки; фазами газораспределения перемещением относительно друг друга профилированных окон впуска вставленных в друг друга золотника, втулки и окон цилиндра и с нагнетателем воздуха на торце золотника.
Миронов А..А. Двигатель внутреннего сгорания с золотниковым газораспределительным механизмом № RU 2159857, 2000 г. [5]
Недостаток данного двигателя это высокая вероятность детонационного воспламенения топливовоздушной смеси и в следствии и невозможность работы в режиме детонационного воспламенения топливовоздушной смеси
Наиболее близким техническим решением является двигатель внутреннего сгорания по АС СССР № 1590571 с впускным и выпускным вращающимися цилиндрическими золотниками с впускными и выпускными радиальными окнами и имеющий каждый нагнетающий и отсасывающий винтовые лопасти установленных в отверстиях головки цилиндра.
Миронов А..А. Двигатель внутреннего сгорания с золотниковым механизмом газораспределения № RU 211590571, 1988 .г. [6]
Технической проблемой данного двигателя является невозможность работы в режиме детонационного воспламенения топливовоздушной смеси.
Цель предполагаемого изобретения - повышение мощности, экономичности, надежности и экологической чистоты.
Поставленная цель достигается том, что:
1. после достижения в камере сгорания давления от 1,0 до 1,5 МПа и создания бедной
топливовоздушной смеси из бензина от марок А:: до АИ95, камера сгорания на три независимые камеры, в камере сгорания при давление не от 1,8 до 2,3 МПа в зависимости от марки бензина производится принудительное детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси, а во второй и третьей детонационных камерах производится детонационное воспламенение топливовоздушной смеси поочередно с интервалом в 20 град. оборота вала двигателя от ВМТ, и в 40 град оборота вала двигателя от ВМТ от воздействия горячих газов из камеры сгорания с температурой свыше 1000 град. Цельсия и с давлением не менее 5,0 МПа.
2. принудительное зажигание производится одновременно не менее чем в двух точках камеры сгорания.
3. при запуске, в режимах холостого хода и прогрева двигатель переводится на работу в четырехтактный режим;
4. впускной цилиндрический золотник имеет разделенную на полость камеры впуска с радиальным впускным окном в форме усеченного конуса, и две детонационные камеры и каждая с радиальными отверстиями впуска ми впуска топливовоздушной смеси , головка цилиндра имеет дополнительные к впускному окну впускные детонационные отверстия и цилиндрический выпускной клапан охватывающий цилиндр с выпускными щелями, расположен между верхней и нижней мертвыми точками, цилиндр имеет две радиальные и диаметрально расположенные свечи зажигания и кинематически связан с механизма управления перемещением его вдоль оси цилиндра.
5. понижающий обороты редуктор перевода с двухтактного на четырехтактный режим совмещен с механизмом управления впускным золотником.
Предполагаемое изобретение включает:
Цилиндро - поршневую группу с цилиндром 1 с радиальными выпускными щелями 2, поршнем 3 и головкой цилиндра 4 с форсункой 5, с впускным окном 6 и впускно-детонационным отверстиями 7 и 8. Система питания 9 связана с форсункой 5.
Газораспределительный механизм состоит:
1. Впускной системы состоящего из цилиндрического полого золотника 10 с
раздельными полостями впуска 11 и детонационными камерами 12 и 13 и на открытом торце имеющего шестерню 14 привода механизма 15 его вращения и осевых перемещений и винтовую лопасть 16.
Золотник 10 имеет профилированное впускное окно 17 и впускно - детонационные отверстия 18 и 19 камер 12 и 13 и вставлен в горизонтальное сквозное отверстие головки 4 цилиндра 1.
2. Выпускной системы из охватывающего цилиндр 1 цилиндрического золотника 20 с радиальными щелями 21 и кинематически связанного с механизмом 22 управления осевых поворотов выпускного золотника.
Имеется выпускной коллектор 23.
Система зажигания 24 подсоединена к двум свечам зажигания 25 и 26.
Механизм 14 имеет редуктор 27 снижения оборотов в два раза.
Камеру сгорания 28 ограниченной цилиндром, поршнем 3, и головкой цилиндра 4.
Графическая часть предполагаемого изобретения представлена на:
Фиг. 1 Схема предполагаемого изобретения;
Фиг. 2 Сечение А-А впускного золотника развернутое;
Фиг. 3 Сечение В-В головки;
Фиг. 4 Сечение С-С цилиндра и выпускного золотника;
Фиг. 5 Сечение Д-Д;
Фиг. 6 Сечение Е-Е;
Фиг. 7 Развертка впускных окон золотника и головки.
Фиг. 8 Индикаторные диаграммы аналогов и предполагаемого изобретения;
Предполагаемое изобретение работает следующим образом.
ДВУХТАКТНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ.
Соотношение хода и диаметра поршня Хп/Дп не менее 1,2.
Передаточное число редуктора 27 = 1. Оборот золотника 9 равен обороту двигателя.
МНОГОТОПЛИВНОСТЬ. Топливо бензины от А 66 до АИ 95.
Регулирование степени сжатии (далее СС) к марке топлива от А66 до АИ92 и фазы впуска осуществляется перемещением вдоль оси золотника 10 механизмом 11 при этом выбранная СС детонационного воспламенения зависит от октанового числа бензинового топлива от А72 и А95 устанавливается механизмом 14 вращения и осевого перемещения золотника 9 в положение когда расстояние после момента закрытия впускного окна 6 головки цилиндров 4 золотником 10 и до ВМТ соответствует геометрическому расстоянию перемещения поршня 3 для требуемой СС.
При этом установленная номинальная продолжительность фазы впуска равная по длине дуги сумме ширины конуса в точке касания кромки впускного окна 6 и его ширины.
РЕГУЛИРУЕМАЯ Фаза выпуска выхлопных газов регулируемая и моменты открытия и закрытия выпускных щелей 2 управляется механизмом 22 перемещений золотника 20 с выпускными щелями 21 относительно оси цилиндра 1.
РЕГУЛИРУЕМАЯ Фаза продувки обеспечивается механизмом 22 перемещений выпускного золотника 20.
Нагнетание воздуха осуществляется винтовой лопастью 16 вращающейся с впускным золотником 10 нагнетая воздух в полость 11 золотника 10 и обеспечивает качественную продувку камеры сгорания 28 от выхлопных газов, которые через выпускные щели 2 цилиндра 1 и 21 выпускного золотника 20 через коллектор 23 выводятся в атмосферу.
РЕГУЛИРУЕМАЯ Фаза впуска свежего заряда воздуха завершается с момента достижения днищем поршня 3 геометрических размеров соответствующих при достижении ВМТ значения СС=22.
Изменение фазы впуска производится осевым перемещением механизмом 14 в зависимости от оборотов золотника 10 с профилированным впускным окном 17 с формой усеченного конуса. При движении золотника 10 к центру цилиндра фаза впуска увеличивается симметрично центральной оси впускного 6 окна головки 4 цилиндра 1 и уменьшается при отводе от центра цилиндра 1 .
Фаза сжатия.
Фаза начинается с перекрытия золотником 10 впускного окна 6 головки цилиндра 4..
При достижении давления в камере сгорания 28 для топливовоздушной смеси бензина АИ 95 около 1,5 МПа при перемещении поршня 3 и вращении золотника 10 совмещаются впускные отверстия 18 детонационных камер 11 и 12 золотника 10 и впускно-детонационных отверстий 7 и 8 головки 4 и топливовоздушная смесь под давлением около 1,5 МПа из камеры сгорания 6 проходит в камеры 11 и 12.
Впрыск топлива в камеру сгорания 28 производится форсункой 5 связанной с системой питания 9.
Объем впрыскиваемого бензинового топлива в камеру сгорания 28 соответствует объему для создание бедной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха не менее Кив = 1,5, что гарантирует не возможность преждевременного самовоспламенения.
Детонационные камеры 12 и 13 при дальнейшем вращении золотника 10 разъединяются от полости впускно-детонационных отверстий 7 и 8 головки 4 и соответственно камеры сгорания 28.
ПЕРВОЕ детонационное воспламенение.
Давление в камере сгорания 28 до достижении поршнем 3 ВМТ не более 10 град. производится принудительное воспламенение топливовоздушной смеси одновременно свечами 25 и 26, под управлением механизма зажигания 24, в следствии которого происходит взрывное - детонационное сгорание топливовоздушной смеси с давлением в камере сгорания 28 до 9,0 МПа..
Давление в камере сгорания 28 в зависимости от сорта бензина марки от А66 до АИ95 в конце тактов сжатия достигает от 1, 5 до 2, 3 МПа
ВТОРОЕ детонационное воспламенение.
При вращении золотника 10 и перемещении поршня 3 . ВМТ в 20 град, совмещаются впускно - детонационное отверстие 19 первой детонационной камере 11 золотника 9 и давление в ее полости мгновенно поднимается свыше 5,0 МПа т.к. из камеры сгорания 28 поступает отработанные газы и бедная топливовоздушная смесь в камере 12 золотника 10 детонационное сгорает и давление в камере 28 поднимается вновь до 9,0 МПа.
ТРЕТЬЕ детонационное воспламенение.
При вращении золотника 10 и перемещении поршня 3 от ВМТ в 40 град, совмещаются впускно - детонационное отверстие 19 второй детонационной камере 13 золотника 9 и давление в ее полости мгновенно поднимается свыше 5,0 МПа т.к. из камеры сгорания 28 поступает отработанные газы и бедная топливовоздушная смесь в камере 13 золотника 10 детонационно сгорает и давление в камере 28 поднимается вновь до 9,0 МПа.
После третьего детонационного воспламенения дальнейшее перемещение поршня 3 в Фазе рабочего хода, аналогична рабочему ходу стандартного дизельного двигателя.
В связи с тем, что для создания бедной топливовоздушной смеси в камере сгорания 28 и в детонационных камерах 12 и 13 золотника 10 объем впрыскиваемого форсункой 5 топлива не более 50% от расчетной, что ограничивает максимальное давление в камере сгорания при детонационном воспламенении в пределах допустимых по коэффициенту запаса прочности для дизельных двигателей
Давление свыше 5,0 МПа воздействует на поршень 3 в продолжении перемещения поршня 3 с ВМТ и до 60 град оборота вала двигателя что более чем в 3 раза больше чем в обычном дизельном двухтактном двигателе, т.е. полезная работа совершаемая соответственно более чем в три раза.
При достижении днища поршня 3 верхних кромок выпускных щелей 2 начинается Фаза выпуска и далее все Фазы двухтактного детонационного цикла последовательно повторяются.
ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ.
При запуске, режимах холостого хода и прогрева, а также при длительных стоянках осуществляется переход с двухтактного режима на четырехтактный, при котором :
1. выпускной золотник 20 циклично перемещается по цилиндру 1 закрывая и открывая
выпускные щели 2 цилиндра 1 под управлением механизма 21.
2. Обороты впускного золотника 10 уменьшаются редуктором 27 механизма управления
15 шестерни 14 золотника 10 в два раза.
3. Угловые размеры тактов увеличены в два раза.
Предполагаемое изобретение обеспечивает:
1. Не менее чем 3 кратное увеличение мощности т.к. в камере сгорания предполагаемый
способ работы детонационного двигателя и двигатель ее реализующий обеспечивают давление газов не ниже 5,0МПа течении 60 град. оборота коленвала по сравнению с обычным двигателем с воспламенением от сжатия, у которых давление свыше 50 держится не более 15 град. оборота.;
2. Не менее чем 2 кратное снижение расхода топлива т.к. при равном расходе топлива
предполагаемое изобретение вырабатывает мощность более чем в 2 раза.
3. Повышение мощности, экономичности надежности подтверждается проведенным
термодинамическими расчетами дизельного ПРОТОТИПА и предполагаемого изобретения при одинаковых степенях сжатия СС=21, ходах поршня и диаметра поршней в Хп = 80 мм и Дп = 50 мм.
«Тепловодинамический расчет двс». БНТУ, МО Республики Беларусь», 2014 г. [7].
4. Надежность обеспечивается за счет создания бедной топливовоздушной смеси с
коэффициентом избытка воздуха Кив не менее ,5 что обеспечивает ограничение максимального давления в камере не выше 10 МПА соответствующей расчетному по коэффициенту запаса прочности.
5. Повышение экологической чистоты выхлопных газов т.к. бедная топливовоздушная
смесь с Кив не менее 17 детонационно сгорает с температурах свыше 2000 град. что гарантированно способствует, при избытке воздуха т.е. кислорода О2 полное окисление составляющих бензин углеводородных соединений.
Изобретение может быть использовано в двигателях с детонационным воспламенением топливовоздушной смеси. Способ детонационной работы осуществляется в двухрежимном двигателе внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси. Двигатель имеет впускные и выпускные вращающиеся цилиндрические золотники (10) и (20), впускные окна (17) и выпускные радиальные окна (2). Нагнетающие винтовые лопасти (16) установлены в отверстиях головки (4) цилиндра. Способ заключается во впуске свежего заряда воздуха, впрыске топлива в камеру (28) сгорания и принудительном воспламенении топливовоздушной смеси. После достижения в камере (28) сгорания давления от 1,0 до 1,5 МПа и создания бедной топливовоздушной смеси из бензина марок от А66 до АИ95 камера сгорания (28) разделяется на три независимые камеры. В камере (28) сгорания при давлении от 1,8 до 2,3 МПа в зависимости от марки бензина производится принудительное детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси. Во второй и в третьей детонационных камерах (12) и (13) производится детонационное воспламенение топливовоздушной смеси поочередно с интервалом в 20° оборота вала двигателя от верхней мертвой точки (ВМТ) и в 40° вала двигателя от ВМТ от воздействия горячих газов из камеры (28) сгорания с температурой свыше 1000 °С и с давлением не менее 5,0 МПА. Раскрыт двухрежимный двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением для реализации способа. Технический результат заключается в повышении мощности и надежности. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.
1. Способ детонационной работы двухрежимного двигателя внутреннего сгорания с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси впускным и выпускным вращающимися золотниками и с впускными окнами и выпускными радиальными окнами, с нагнетающими винтовыми лопастями, установленными в отверстиях головки цилиндра, заключающийся во впуске свежего заряда воздуха, впрыске топлива в камеру сгорания и принудительном воспламенении топливовоздушной смеси, отличающийся тем, что после достижения в камере сгорания давления от 1,0 до 1,5 МПа и создания бедной топливовоздушной смеси из бензина марок от А66 до АИ95 камера сгорания разделяется на три независимые камеры, в камере сгорания при давлении от 1,8 до 2,3 МПа в зависимости от марки бензина производится принудительное детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси, а во второй и третьей детонационных камерах производится детонационное воспламенение топливовоздушной смеси поочередно с интервалом в 20° оборота вала двигателя от ВМТ и в 40° оборота вала двигателя от ВМТ от воздействия горячих газов из камеры сгорания с температурой свыше 1000 °С и с давлением не менее 5,0 МПа.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что принудительное зажигание производится одновременно не менее чем в двух точках камеры сгорания.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в режимах холостого хода и прогрева двигатель переводится на работу в четырехтактный режим.
4. Двухрежимный двигатель внутреннего сгорания с принудительным воспламенением для реализации способа по п. 1, содержащий впускной и выпускной вращающиеся цилиндрические золотники, и с впускными окнами и выпускными радиальными окнами, с нагнетающими винтовыми лопастями, установленными в отверстиях головки, отличающийся тем, что впускной цилиндрический золотник имеет разделенную на полости камеру впуска с радиальным впускным окном в форме усеченного конуса и две детонационные камеры и каждая с радиальными отверстиями впуска топливовоздушной смеси, головка цилиндра имеет дополнительные к впускному окну впускные детонационные отверстия и цилиндрический выпускной клапан, охватывающий цилиндр с выпускными щелями, расположен между верхней и нижней мертвыми точками, цилиндр имеет две радиальные и диаметрально расположенные свечи зажигания и кинематически связан с механизмом управления перемещением его вдоль оси цилиндра.
5. Двухрежимный двигатель по п. 4, отличающийся тем, что понижающий обороты редуктор перевода с двухтактного на четырехтактный режим совмещен с механизмом управления впускным золотником.
| Золотниковый механизм газораспределения двигателя внутреннего сгорания | 1988 |
|
SU1590571A1 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЗОЛОТНИКОВЫМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫМ МЕХАНИЗМОМ | 1999 |
|
RU2159857C2 |
| Поршневой двигатель внутреннего сгорания | 2017 |
|
RU2698383C2 |
| Бесшатунный поршневой ДВС, работающий на энергии детонации топливно-воздушной смеси | 2018 |
|
RU2711853C1 |
| US 9739193 B2, 22.08.2017 | |||
| US 5239959 A, 31.08.1993. | |||
