Способ работы и поршневой двигатель Российский патент 2023 года по МПК F02B19/02 F02D15/04 

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, конкретно к поршневым многотопливным с регулируемой степенью сжатия и фазами газораспределения двигателям внутреннего сгорания, а именно к многотопливным двухтактным двигателям с детонационным воспламенением топливовоздушной смеси.

Известно, что сжатая рабочая топливовоздушная смесь может сгорать в двух режимах отличающихся интенсивностью горения и скоростью этого процесса:

А) нормальное горения - 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°C против 2500 при обычной медленной форме горения.

Экспериментами установлено, что при степени сжатия 8,5, когда давление сжато Рабочей Смеси достигает 18-20 атмосфер при по использовании 92 бензина детонационно сгорает от до 5% паров топлива - предельно приемлемый показатель, а при достижении давления сжатия 34 атмосфер (степень сжатия 22-23) Рабочая Смесь с парами 92 бензина будет на 100% процентов сгорать в режиме детонации - объемного взрыва.

Соколик А.С., «Сгорание в транспортных поршневых двигателях». Издательство АН СССР, 1951, стр. 37. [1]

Известно, что в бензиновых двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС) стремятся избегать детонационного сгорания путем применения высокооктановых бензинов, причем при несоответствии степени сжатия к детонационной стойкости горючего двигатель может выйти из строя.

Артамонов М.Д. и др. «Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей», Москва, ГНТИ машиностроительной литературы, 1963, стр. 10-61. [2]

Детонационная стойкость или октановое число марок бензина и соответствующая им степень сжатия (далее СС) определены и используется при конструировании ДВС с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси.

Таблица 1. Октановое число топлива и степень сжатия двигателя. Октановое число Степень сжатия АИ-76 8,0 - 8,5 АИ-80 8,5 - 9,0 АИ-92 10 - 10,5

Октановое число и степень сжатия. AVTO - BLOGGER. RU YOTUBE [3]

«… 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.

Если немного удариться в технологические фантазии, то можно было бы представить автомобильный или лодочный двигатель, который при весе в 12-15 кг имел мощность 150 ткВт (почти 200 л.с.) и расходовал 1,5-2 литра высокооктанового бензина на 100 км. Т.е. расход топлива такого двигателя составлял бы 60-80 граммов топлива в час на одну лошадиную силу. При том, что сейчас в лучших по экономичности дизелях расход составляет 160-170 граммов.

Однако детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применяется ввиду несовершенства конструкции всех нынешних типов ДВС….»

«Возможен ли детонационный двигатель?» И. Исаев. [4]

Известен двигатель внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия перемещением головки, фазами газораспределения перемещением относительно друг друга профилированных окон впуска в ставленых в друг друга золотника, втулки и окон цилиндра и с винтовым нагнетателем воздуха на торце золотника и с центральной клапан-форсункой в головке.

Миронов А.А. «ДВС с золотниковым ГРМ», Патент РФ № 2159857, 2000 г. [5]

Недостатком данного двигателя является конструктивная сложность газораспределительного механизма и невозможность использования использовать преимущества детонационного сгорания топливовоздушной смеси.

Известно также, что «…нужно будет иметь значительный камеры расширения, где будет совершать длинный рабочий ход главный рабочий орган двигателя. И заведомо в таком двигателе объем камеры расширения и должен заметно превышать объем камеры сжатия. Следовательно, чтобы превратить полезную работу главного рабочего органа .....нужно такому двигателю иметь большой рабочий ход двигателя ..» [3]

Характеризуемая соотношением хода поршня к диаметру поршня, которая из-за конструкции КШМ, точнее сопряжения «шатун - нижняя кромка цилиндра» не может превышать пропорции 1,3 т.к. превышение Хп/Дп свыше 1,3 не возможна из-за конструкции кривошипно-шатунного механизма и цилиндропоршневой группы.

Наиболее близким техническим решением является двигатель по АС СССР №1416722, 1988 г., двухтактный с прямоточной продувкой состоящий из соединенных резьбой цилиндром и головкой цилиндров с механизмом передачи вращения головки и управляемые от положения головки, степени сжатия: системой регулирования фаз впуска и угла опережения зажигания совмещенного клапан - свечи зажигания установленного в головке цилиндров и смесителя изменения октанового числа топлива.

Миронов А.А.. АС СССР № 1416722 «Двигатель внутреннего сгорания с регулируемой степенью сжатия», 1988 г. [6]

Недостатком известного двигателя является то, что она сконструирована для предотвращения детонационного воспламенения топливовоздушной смеси без остановки двигателя приведением степени сжатия в соответствие к октановому или цетановому числу топлива и обеспечения соответствующих фаз газораспределения и углов опережения зажигания.

Цель предполагаемого изобретения повышение мощности, экономичности, надежности и экологической чистоты.

Поставленная цель достигается тем, что:

1) производится отделение камеры (детонационного воспламенения от полости рабочей камеры с бедной топливовоздушной смесью из бензина марки от А66 до А95 при достижении давления от 1,2 до 1,5 МПа, первое детонационное сгорание производится в камере сгорания принудительно клапан-свечой зажигания, с опережением угла системой зажигания до достижения поршнем от верхней мертвой точки (ВМТ) и давления от 2,0 до 2,5 МПа, второе детонационное сгорание производится в камере детонационного воспламенения до 20 градусов поворота коленчатого вала после ВМТ при поступлении горячих газов из рабочей камеры сгорания.

2) снабжен неподвижным кольцом с детонационной камерой охватывающим цилиндр золотником кинематически связанным механизмом передачи вращения, причем золотник выполнен с отверстием впуска топливовоздушной смеси и отверстием выпуска детонационной струи размещенных на одной плоскости с впускным детонационным отверстием цилиндра, а детонационный золотник установлен в зазор между неподвижным детонационным кольцом и цилиндром.

Предлагаемое изобретение состоит из:

цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма, состоящих из блока цилиндра 1, коленвала 2 с шатуна 3 с поршнем 4, головки цилиндра 5 с внешней 6 и цилиндра 7 с внутренней 8 резьбой.

Головка 5 кинематически 9 связана с механизмом привода вращения механизма изменения степени сжатия 10.

Цилиндр 7 имеет радиальное впускно-детонационное отверстие 11 выпускные щели 12 и выпускной коллектор 13.

Головка 5 имеет осевую центральную втулку 14 с радиальными 15 вентиляционными отверстиями, центральную клапан - свечу 16 связанной с механизмом гидропривода 17 и с системой зажигания 18.

Детонационная система состоит из механизма 19 управления вращением детонационного золотника 20, установленного в зазор между неподвижным детонационным кольцом 21 с детонационной камерой 22 и цилиндром 7.

Золотник 20 имеет выпускное 23 детонационной струи и впускное 24 свежего заряда отверстия, внутреннюю торцевую винтовую лопасть 25 и внешнюю шестерню 26, кинематически 27 связанную с механизмом привода 19.

Система принудительного охлаждения и нагнетания воздуха винтовой лопастью 24 в камеру сгорания 28 состоит:

1) из полости 29, ограниченной поверхностями головки 5, золотника 20 и осевой втулки 14 и впускного окна 30 головки 5;

2) из полости 31, ограниченной поверхностями осевой втулки 14, головки 5 и клапан-свечи 16.

Топливная форсунка 32 связанная с системой питания 33 установлена в головке цилиндра 5 диаметрально впускному окну 30.

На чертежах:

Фиг. 1 - Принципиальная схема предлагаемого изобретения;

Фиг. 2 - Сечение А-А;

Фиг. 3 - Сечение В-В;

Фиг.4 - Сечение С-С;

Фиг. 5 - Развертка детонационного золотника;

Фиг. 6 - Индикаторные диаграммы прототипа и предполагаемого изобретения.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

Регулирование степени сжатия при изменении марки бензина от А66 до А95 производится вращением механизмом 10 головки 5, которая, вращаясь резьбой 6 в резьбе 8 цилиндра, перемещается вдоль оси цилиндра 7.

Нагнетания воздуха в камеру сгорания 28 осуществляется при вращении детонационного золотника 30 с торцевой винтовой лопастью 24 нагнетающего воздух в полость 29 и через впускное окно 30.

Охлаждение клапан-свечи 16 осуществляется нагнетанием воздуха через радиальные отверстия 15 осевой втулки 14 головки 5 в полость 31, где размещена осевая клапан-свеча 16.

Выпуск выхлопных газов производится при открытии выпускных щелей 12 цилиндра 7 поршнем 4 через выпускной коллектор 13.

Изменение номинального значения соответствующего к октановому числу топлив: степени сжатия соответственно положения головки 5, угла опережения впрыска топлива форсункой 32 системой питания 33, угла опережения зажигания клапан-свечи 16 системой зажигания 18 и величины фаз впуска клапан-свечой 16 гидроприводным механизмом 17 производится при неработающем двигателе.

Бедная топливовоздушная смесь из впрыснутого форсункой 32 топлива и воздуха под давлением, создаваемым винтовой лопастью 25, в камеру сгорания 28 через впускное окно 30 головки 5 и впускное окно 24 детонационного золотника 20 в детонационную камеру 22 кольца 21 при достижении СС соответствующей давлению от 1,2 до 1,5 МПа в камере сгорания при перемещении поршня 4 к ВМТ.

Бездетонационный режим работы

Значения степени сжатия, углов опережения зажигания и впрыска топлива форсункой 32, а также фазы впуска соответствуют номинальным значениям. Максимальное давление газов в камере сгорания 28 не превышает 6,0 МПа.

Детонационный режим

Степень сжатия обеспечивает давление в камере сгорания 28 от 2,0 до 2,5 МПа соответственно марке бензина от А66 до А95.

ПЕРВОЕ детонационное сгорание производится принудительно клапан-свечой 16 с опережением угла системой зажигания 18 до достижения поршнем 4 от ВМТ.

В камере сгорания 28 давление достигает до 8,0 МПа, а температура газов до свыше 2000 град.

ВТОРОЕ детонационное сгорание производится при перемещении поршня 4 от ВМТ при вращении коленвала 2 с шатуном 3 на 20 град. в момент совмещения полости кольца 21 с детонационной камерой 22 с отверстием 23 детонационной струи детонационного золотника 20 и через впускно-детонационное отверстие 11 цилиндра 7 с полостью камеры сгорания 28 в результате горячие газы с давлением свыше 6,0 МПа и с температурой не ниже 2000 град. из камеры сгорания 28 проходят в детонационную камеру 22 и топливовоздушная смесь сгорает детонационно и давление в камере 28 вследствие прохождения детонационной струи из детонационной камеры 22 в камеру сгорания 28 давление вновь поднимается до 9,0 МПа.

В результате предлагаемое изобретение, реализующее детонационный режим работы поршневого двигателя и на основании приведенных ниже в Таблице 2 «теплового и динамического расчетов дизельного ПРОТОТИПА и предлагаемого изобретения, обеспечивается:

1) за счет действия давления газов более 5 МПа в камере сгорания 28 продолжительностью до 50 град. оборота мощность двигателя повышается не менее чем в 3 раза.

2) за счет снижения расхода топлива обеспечивающего образование бедной топливной смеси снижается удельный расход и повышается топливная экономичность двигателя.

3) за счет разделения детонационного сгорания по двум камерам, камера сгорания 28 и детонационная камера 21, максимальное давление не превышает допустимых для поршневых двигателей с воспламенением от давления повышается надежность.

4) за счет полного детонационного сгорания бедной топливовоздушной смеси с избытком воздуха повышается экологическая чистота выхлопных газов.

Таблица 2 Сравнительные расчетные параметры. №№ СРАВНИВАЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОТОТИП Предл. изобретение 1 Диаметр поршня, Дп в мм 50 50 2 Ход поршня, Хп, в мм 60 70 3 Хп/Дп 1,2 1,4 4 Степень сжатия, СС 20 8 до 20 5 Топливо ДТ А76 6 Мощность индикаторная Ni, квт 10 кВт 30 кВт 7 Удельный расход топлива, грамм/кВт ч 180 80

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Способ работы поршневого двигателя заключается в воспламенении топливовоздушной смеси в камере сгорания (28). Производится отделение камеры (22) детонационного воспламенения от полости рабочей камеры (28) с бедной топливовоздушной смесью из бензина марки от А66 до А95 при достижении давления от 1,2 до 1,5 МПа. Первое детонационное сгорание производится в камере сгорания (28) принудительно клапаном – свечой (16) зажигания, с опережением угла системой зажигания (18) до достижения поршнем (4) от верхней мертвой точки (ВМТ) и давления от 2,0 до 2,5 МПа. Второе детонационное сгорание производится в камере (22) детонационного воспламенения до 20 градусов поворота коленчатого вала после ВМТ при поступлении горячих газов из рабочей камеры сгорания (28). Раскрыт поршневой двигатель, реализующий способ. Технический результат заключается в повышении мощности двигателя. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ работы поршневого двигателя, заключающийся в воспламенении топливовоздушной смеси в камере сгорания, отличающийся тем, что производится отделение камеры детонационного воспламенения от полости рабочей камеры с бедной топливовоздушной смесью из бензина марки от А66 до А95 при достижении давления от 1,2 до 1,5 МПа, первое детонационное сгорание производится в камере сгорания принудительно клапаном - свечой зажигания, с опережением угла системой зажигания до достижения поршнем от верхней мертвой точки (ВМТ) и давления от 2,0 до 2,5 МПа, второе детонационное сгорание производится в камере детонационного воспламенения до 20 градусов поворота коленчатого вала после ВМТ при поступлении горячих газов из рабочей камеры сгорания.

2. Поршневой двигатель с продувкой, содержащий соединенные резьбой цилиндр и головку цилиндров, механизм изменения степени сжатия, обеспечивающий передачу вращения головке цилиндров и систему регулирования фаз впуска и угла опережения зажигания клапана - свечи зажигания установленного в головке цилиндров, отличающийся тем, что снабжен неподвижным кольцом с детонационной камерой, охватывающим цилиндр золотником, кинематически связанным механизмом передачи вращения, причем золотник выполнен с отверстием впуска топливовоздушной смеси и отверстием выпуска детонационной струи, размещенными на одной плоскости с впускным детонационным отверстием цилиндра, а детонационный золотник установлен в зазор между неподвижным детонационным кольцом и цилиндром.