Способ детонационной работы и поршневой крейцкопфный двигатель. Российский патент 2023 года по МПК F02B19/02 F01L7/04 

Предполагаемое изобретение относится к машиностроению, конкретно поршневым многотопливным двс с регулируемыми степенью сжатия и фазами газораспределения, а именно к многотопливным крейцкопфным поршневым двс с детонационным воспламенением топливовоздушной смеси.

Известно что сжатая рабочая топливовоздушная смесь может сгорать в двух режимах отличающихся интенсивностью сгорания и скоростью этого процесса: А) нормальное горение со скоростью 20 - -30 м/сек; Б) взрывное (детонационное) сгорание со скоростью около 2000 м/сек.

Экспериментами установлено что при степени сжатия 8,5 когда давление жатой рабочей смеси достигает 18 - 20 атм, при использовании 92 бензина, детонационно сгорает от 5 до 8% 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 детонационного - объемного взрыва.

Соколик А.С., «Сгорание в транспортных поршневых двигателях» Изд. АН СССР, 1951, стр. 3. (1)

В бензиновых двигателях внутреннего сгорания стремятся избегать детонационного сгорания путем применения высокооктановых бензинов в причем при несоотвествии степени сжатия к детонационной стойкости горючего двигатель может выйти из строя.

Артамонов М.Д. и др. «теория, конструкции и расчет автотракторных двигателей» М., ГНТИ машиностроительной литературы, 1963 г., стр. 10-61. (2)

К недостаткам вышеуказанных двс следует отнести сложность конструкции, низкий кпд и неспособность работать в детонационном режиме горения.

Детонационная стойкость или октановое число ьензинов соответствующие им степень сжатия определены и используются при конструировании двс с принудительным воспламенением топливовоздушной смеси.

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

Октановое число и степень сжатия. AUTO BLOGE.RU YOTUBE (3)

Известно «….Если бы удалось использовать могучую энергию и высокий кпд детонационного режима сгорания топлива, то появился двс, который бы значительно превысил нынешний уровень кпд современных поршневых двигателей, удельная мощность в два раза бы превзошла современных лидеров этого показателя - газовые турбины с их 6 кВт на 1 кг веса.

Если немного… , то можно было бы представить автомобильный или подвесной лодочный мотор, который при весе 10 -12 кг имел мощность в 150 -200 л.с. и расходовал 1,5-2 л бензина на 100 км

Т.е. расход топлива такого двигателя составлял бы 60 - 80 гр топлива в час на одну л.с..

При том, что сейчас в лучших по экономичности дизелях расход составляет 160 - 170 гр..

Однако детонационное сгорание на нынешнем уровне развития техники в области двигателестроения не применятся ввиду, несовершенства конструкции всех нынешних двс.

«Возможен ли детонационный двигатель» И. Исаев (4)

Известен двс с регулируемой степенью сжатия перемещением головки, фазами газораспределения - перемещением относительно друг - друга профилированных окон впуска вставленных в друг друга, золотника втулки и окон цилиндра с винтовым нагнетателем воздуха на торце золотника и с центральным клапан форсункой.

Патент РФ 2159857, «ДВС с золотниковым ГРМ» Миронов А.А., 2000 г. (5)

Недостатком является то, что двигатель конструктивно предназначен не для реализации детонационного сгорания, а для устранения возможности детонационного воспламенения и устранения разрушающего воздействия давления и температур поднимающихся выше значений по запасу прочности.

Также известно, что «…. Нужно иметь значительно оббьем камеры расширения , где будет совершать длинный рабочий ход главный рабочий орган двигателя. И заведомо, в таком двигателе объем расширения должен заметно превышать объем камеры сжатия. Следовательно - чтобы превратить полезную работу главного рабочего органа нужно такому двигателю иметь большой рабочий ход двигателя…» (4)

Наиболее близким техническим решением является поршневой многотопливный двигатель с регулируемой степенью сжатия , состоящий из основного и дополнительного топливных баков, смесителя топлив, блока цилиндров, коленвала, шатуна, поршня, цилиндра и индивидуальной головки с помощью резьбы ввинченной в цилиндр. В головке размещен впускной клапан - форсунка с гидроприводом и автоматическим регулятором фазы впуска , а в цилиндре выполнены радиальные выпускные щели и с регулятором изменения степени сжатия и обеспечения соответствия к степени сжатия октанового или цетановго числа топлив и фазы впуска.

А.С. СССР № 1437531, 1988. Миронов А.А. (6)

Недостатком является данный двигатель конструктивно предназначен не для реализации детонационного сгорания, а для устранения возможности детонационного воспламенения и устранения разрушающего воздействия давления и температур поднимающихся выше значений по запасу прочности.

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

Поставленная цель достигается тем, что:

1. Способ сгорания бензинового топлива в поршневом двигателе, заключающийся в подаче топлива и воздуха в камеру сгорания двигателя отличающийся тем, что от полости камеры сгорания при достижении давления 1,0 МПа отделятся и изолируются две форкамеры с раздельным впрыском бензина в форкамеры и в камеру сгорания, с созданием в них бедной топливовоздушной смеси и последовательное детонационное воспламенение , причем первое детонационное воспламенение производится в камере сгорания при достижении поршнем ВМТ и давления 2,5 МПа, второе и третье детонационное воспламенение производятся в форкамерах, второе детонационное воспламенение производится после 40 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ, третье детонационное воспламенение производится после 80 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ под воздействием газов поступающих из камеры сгорания с давлением выше 5 МПа и температурой газов выше 2000 градусов Цельсия.

2. Поршневой крейцкопфный двигатель состоящий из коленчатого вала, шатуна, поршня, цилиндра и цилиндрической головки цилиндра с помощью резьбы ввинченной в цилиндр, в головке цилиндра размещен впускной клапан-форсунка с гидроприводом, в цилиндре выполнены выпускные щели отличающийся тем, что снабжен цилиндрическим детонационным золотником кинематически связанным с механизмом управления вращения, цилиндрическим кольцом, неподвижно закрепленным относительно цилиндра с двумя форкамерами с полостями, впускными детонационными отверстиями и с топливными форсунками, причем цилиндрический детонационный золотник выполнен с двумя парами диаметральных впускных и детонационных отверстий, а две форкамеры расположены диаметрально и закреплены на цилиндрическом кольце.

3. Двигатель по п.2 отличающийся тем, что снабжен выпускным цилиндрическим золотником с выпускными щелями, кинематически связанным с механизмом управления его поворотами вокруг цилиндра, причем в цилиндре дополнительные выпускные щели размещены выше основных выпускных щелей..

Предполагаемое изобретение состоит из:

Крейцкопфного механизма 1, коленчатого вала 2 и штока 4 с поршнем 5, цилиндра 6 с выпускными щелями 7 двумя диаметрально радиальными впускными детонационными окнами 8, и дополнительными выпускными щелями 9, цилиндрической головки 10 ввинченной резьбой 11 в внутреннюю резьбу 12 цилиндра 6, с осевой клапан-форсункой 13 и впускным окном 14. Головка 10 кинематически 15 связан с механизмом изменения степени сжатия 16.

Клапан-форсунка 13 связана маслопроводом 17 с механизмом гидропривода 18 и топливопроводом 19 системой питания 20.

Детонационный золотник 21 с торцевым внешним зубчатым венцом 22 кинематически 23 связан с механизмом привода 24 и внутренней винтовой лопастью 25. Золотник 21 имеет два диаметрально радиальных впускных 26 отверстия и два детонационных 27 отверстия и установлен на цилиндре 6 и головке 10.

Диаметральные форкамеры 28 и 29 с полостью 30 и с впускными детонационными отверстиями 31 размещены диаметральны и закреплены на цилиндрическом кольце 32 неподвижно закрепленной к цилиндру 6 .

Дополнительный выпускной золотник 33, кинематически 34 связан с механизмом привода 35, с выпускными щелями 36, размещен в районе дополнительных выпускных щелей 9 цилиндра 6 и установлен в полости выпускного коллектор 37.

Образована камера сгорания 38, ограниченная поверхностями поршня 5, цилиндра 6 и головки 10.

Топливопроводами 39 связаны с системой питания 20 топливные форсунки 40 на форкамерах 28 и 29.

На чертежах изображены:

на рис. 1 - Принципиальная схема;

на рис. 2- сечение А-А;

на рис. 3 - Сечение В-В;

на рис. 4 -Сечение С-С;

на -рис. 5 Сравнительные индикаторные диаграммы изобретения, аналогов и прототипа.

Предполагаемое изобретение работает следующим образом.

Воздух по давлением нагнетаемый винтовой лопастью 25 детонационного золотника 21 вращающегося от приводного механизма 24 через кинематическую связь 23 с шестерней 22 через впускное окно 14 при открытии гидроприводом 18 клапан-форсунки 13 проходит в камеру сгорания 37.

После закрытия клапан-форсунки 13 при достижении давления в камере сгорания 38 давления 2 мПа впускные диаметральные щели 26 цилиндра 6 перекрываются детонационным золотником 21 вращающимся от механизма 24 передаваемого через кинематическую связь 32 прекращают сообщение с впускными детонационными отверстиями 31форкамер 28 и 29.

При дальнейшем перемещении поршня 5 до ВМТ в камеру сгорания 38 форсункой-клапаном 13 впрыскивается бензиновое топливо с образованием бедной топливовоздушной смеси.

В полости 30 форкамер 28 и 29 впрыскивается форсунками 40 связанными с системой питания 20.

Первое детонационное сгорание происходит в камере сгорания 38 при достижении поршнем 5 ВМТ степени сжатия 18 и давления 2 мПа, при котором давление газов до 9 мПа с температурой свыше 2500 град..

Второе детонационное сгорание происходит при перемещении поршня 5 на 40 град. от ВМТ при совпадении детонационного отверстия отверстия 31 полости 30 форкамеры 28 с впускным детонационным отверстием 27 вращающегося детонационного золотника 21 при проникновении газов с камеры сгорания 38 с давлением свыше 5 мПа и температурой свыше 2000 град через впускное детонационное отверстие 7 цилиндра 6 и вызывают детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси в полости 30 форкамеры 28.

Третье детонационное сгорание происходит при перемещении поршня 5 на 80 градусов от ВМТ при совпадении детонационного отверстия 31 полости 30 форкамеры 29 с детонационным отверстием 27 вращающегося детонационного золотника 21 при проникновении газов с камеры сгорания 37 с давлением свыше 5 мПа и температурой свыше 2000 град через впускное отверстие 7 цилиндра 6 и вызывают детонационное воспламенение бедной топливовоздушной смеси в полости 30 форкамеры 28.

Степени сжатия соответствующая требуемому давлению в камере сгорания 38 обеспечивающее детонационное воспламенение бензиновой бедной топливовоздушной смеси из определенной марки бензина производится перемещением головки 10 при его вращении от механизма привода 16 через кинематическую связь резьбой 11 во внутренней резьбе 12 цилиндра 6.

Выхлопные газы выводятся через основные 7 и дополнительные 9 выпускные щели цилиндра 6 и коллектор 37.

Регулирование начала фазы выпуска обеспечивается поворотами дополнительного выпускного золотника 33 от механизма управления 35 его поворотами через кинематическую связь 34, при котором регулируется момент открытия или закрытия дополнительных выпускных щелей 9 цилиндра 6 выпускными щелями 36 дополнительного золотника 33.

Предполагаемое изобретение обеспечивает.

1. Не менее чем трехкратное увеличение мощности; снижение удельного расхода топлива и экологической чистоты т.к. в камере сгорания обеспечивается давление газов не ниже 5 мПа продолжительностью не менее 100 град. оборота коленчатого вала по сравнению с обычными двигателями с воспламенением от сжатия, у которых давление свыше 5 мПа держится не более 15 градусов, а также сгоранием бедной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха не ниже 1,4.

2. Повышение надежности за счет устранения превышения давления газов сверх расчетных по запасу прочности с разделением на отдельных детонационных воспламенений бедной топливовоздушной смеси с коэффициентом избытка воздуха не ниже 1,4 разнесенных на 20 град. оборота коленчатого вала.

3. Использование крейцкопфного механизма увеличивает рабочий ход не менее чем в 1,5 раза, что гарантирует полное использование преимуществ детонационного горения.

Изобретение может быть использовано в многотопливных поршневых крейцкопфных двигателям с детонационным воспламенением топливовоздушной смеси. Способ сгорания бензинового топлива в поршневом двигателе заключается в подаче топлива и воздуха в камеру сгорания двигателя. От полости камеры сгорания (37) при достижении давления 1,0 МПа отделяются и изолируются две форкамеры (28) и (29), с раздельным впрыском бензина по форкамерам (28) и (29) и камере сгорания (37), с созданием в них бедной топливовоздушной смеси. Производится последовательное детонационное воспламенение. Первое детонационное воспламенение производится в камере сгорания (37) при достижении поршнем ВМТ давления 2,5 Мпа. Второе и третье детонационное воспламенение производится в форкамерах (28) и (29). Второе детонационное воспламенение производится после 40 градусов поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки (ВМТ). Третье детонационное воспламенение производится после 80 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ под воздействием газов из камеры сгорания (37) с давлением выше 5 мПа и температурой газов выше 2000 градусов Цельсия. Раскрыт поршневой крейцкопфный двигатель. Технический результат заключается в повышении мощности двигателя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ сгорания бензинового топлива в поршневом двигателе, заключающийся в подаче топлива и воздуха в камеру сгорания двигателя отличающийся тем, что от полости камеры сгорания при достижении давления 1,0 МПа отделятся и изолируются две форкамеры с раздельным впрыском бензина в форкамеры и в камеру сгорания, с созданием в них бедной топливовоздушной смеси и последовательное детонационное воспламенение, причем первое детонационное воспламенение производится в камере сгорания при достижении поршнем ВМТ и давления 2,5 МПа, второе и третье детонационное воспламенение производятся в форкамерах, второе детонационное воспламенение производится после 40 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ, третье детонационное воспламенение производится после 80 градусов поворота коленчатого вала от ВМТ под воздействием газов поступающих из камеры сгорания с давлением выше 5 МПа и температурой газов выше 2000 градусов Цельсия.

2. Поршневой крейцкопфный двигатель состоящий из коленчатого вала, шатуна, поршня, цилиндра и цилиндрической головки цилиндра с помощью резьбы ввинченной в цилиндр, в головке цилиндра размещен впускной клапан-форсунка с гидроприводом, в цилиндре выполнены выпускные щели, отличающийся тем, что снабжен цилиндрическим детонационным золотником кинематически связанным с механизмом управления вращения, цилиндрическим кольцом, неподвижно закрепленным относительно цилиндра с двумя форкамерами с полостями, впускными детонационными отверстиями и с топливными форсунками, причем цилиндрический детонационный золотник выполнен с двумя парами диаметральных впускных и детонационных отверстий, а две форкамеры расположены диаметрально и закреплены на цилиндрическом кольце.

3. Двигатель по п. 2 отличающийся тем, что снабжен выпускным цилиндрическим золотником с выпускными щелями, кинематически связанным с механизмом управления его поворотами вокруг цилиндра, причем в цилиндре дополнительные выпускные щели размещены выше основных выпускных щелей.