СПОСОБ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ В ЦИЛИНДР ОДНОТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
CYCLING OF EXHAUST GASES IN SINGLE-STROKE ENGINE WITH EXTERNAL COMBUSTION ENGINE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший аналог заявленного изобретения - патент 2324060 «Свободнопоршневой генератор газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора». Принцип его действия состоит в следующем. При пуске свободнопоршневого генератора газов в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой 3 (фиг.1). Продукты сгорания через открытый газораспределительный клапан 4 поступают в левую полость поршня привода компрессора 5, в результате чего поршень привода компрессора 5 и соединенные с ним штоком 6 поршень компрессора 7 и поршень привода компрессора 8 начинают движение слева направо (см. чертеж). Воздух из правой полости поршня привода компрессора 5 через обратный клапан 9 вытекает в атмосферу, а через обратный клапан 10 в левую полость поршня компрессора 7 засасывается воздух из атмосферы. Одновременно через обратный клапан 11 из правой полости поршня компрессора 7 воздух подается в камеру сгорания 1, пополняя расход кислорода в процессе горения топлива. Открытый газораспределительный клапан 12 позволяет воздуху свободно вытекать из правой полости поршня привода компрессора 8, не оказывая сопротивления движению поршней, а через обратный клапан 13 в левую полость поршня привода компрессора 8 засасывается воздух из атмосферы. При достижении поршнями окрестностей крайнего правого положения система управления (не показана) переводит газораспределительные клапаны 4 и 12 в правое положение. Теперь газы из камеры сгорания 1 через открывшийся газораспределительный клапан 12 поступают в правую полость поршня привода компрессора 8, в результате чего поршни останавливаются, а затем начинают движение справа налево. Все остальные воздухораспределительные клапаны переходят в противоположное положение. Отработавшие газы из левой полости поршня привода компрессора 5 через открывшийся газораспределительный клапан 4 вытекают в атмосферу, а воздух из атмосферы через обратный клапан 14 засасывается в правую полость поршня привода компрессора 5. Воздух из левой полости поршня компрессора 7 через обратный клапан 15 подается в камеру сгорания 1, а воздух из атмосферы через обратный клапан 16 засасывается в правую полость поршня 7. Воздух из левой полости поршня привода компрессора 8 через обратный клапан 17 выбрасывается в атмосферу. В дальнейшем система управления, переводя газораспределительные клапаны 4 и 12 из одного крайнего положения в другое, обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания 1. При достижении рабочего давления газов в камере сгорания 1 открывается заслонка 18, и генерируемые газы через распределительный коллектор 19 поступают в тяговую расширительную машину. Управление текущей мощностью двигателя осуществляется изменением интенсивности подачи топлива в камеру сгорания.
ЦЕЛЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель заявленного изобретения состоит в том, чтобы обеспечить реверсирование вращения коленчатого вала однотактного двигателя с внешней камерой сгорания
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность заявленного изобретения поясняется на примере однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и кривошипно-шатунным механизмом (далее - однотактный двигатель) в одноцилиндровом исполнении. Действует он следующим образом. При пуске двигателя система управления подает во внешнюю камеру сгорания 1 форсункой 2 дозу топлива и воспламеняет его свечой зажигания 3 (фиг.2). Топливо горит и, если поршни 4 и 5 находятся в положении, как показано на чертеже, то продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 6 через открытый впускной клапан 7 поступают в нижнюю (см. чертеж) рабочую полость поршня 4. Под воздействием поступающих в нижнюю рабочую полость поршня 4 продуктов сгорания поршень 4, штоки 8, 9 и поршень 5 начинают движение вверх. Поскольку нижняя площадь поверхности поршня 4 больше его верхней площади поверхности на разность площадей поперечного сечения штоков 8 и 9, то давление сжимаемого в верхней компрессорной полости поршня 4 воздуха больше давления продуктов сгорания в его нижней полости. Поэтому воздух из верхней компрессорной полости поршня 4 через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, поддерживая в ней процесс горения периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В нижнюю компрессорную полость поршня 5 через обратный клапан 11 засасывается воздух из атмосферы, а из верхней рабочей полости поршня 5 воздух (в дальнейшем отработавшие продукты сгорания) через выпускной клапан 12 выбрасываются в атмосферу. Таким образом, энергия продуктов сгорания через шток 9 и шатун 13 передается коленвалу 14. По прибытии поршней 4 и 5 в окрестности верхней мертвой точки система управления переводит впускной клапан 7 и выпускной клапан 12 в закрытое, а впускной клапан 15 и выпускной клапан 16 в открытое положение. Теперь продукты сгорания из внешней камеры сгорания 1 по трубопроводу 17 через впускной клапан 15 поступают в верхнюю рабочую полость поршня 5. Поршни 4 и 5 начинают движение вниз, и коленвал двигателя 14 продолжает вращение в прежнем направлении. Сжимаемый в нижней компрессорной полости поршня 5 воздух через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1, обеспечивая горение периодически подаваемого форсункой 2 топлива. В верхнюю компрессорную полость поршня 4 через обратный клапан 19 засасывается воздух из атмосферы, а из его нижней рабочей полости отработавшие продукты сгорания через выпускной клапан 16 выбрасываются в атмосферу.
Как видно из пояснения принципа действия двигателя, расширение продуктов сгорания в основном происходит только при выбросе их из цилиндра в конце движения поршней, не производя никакой полезной работы. Увеличение эффективности расширения продуктов сгорания в цилиндре во всем диапазоне нагрузок на двигатель осуществляется следующим образом. По аналогии с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) цилиндр однотактного двигателя можно представить условно разделенным на два объема. Первый соответствует камере сгорания ДВС - виртуальная камера сгорания. Остальной объем цилиндра, по сути дела, как и в ДВС, - виртуальный рабочий объем. Например, для начала движения поршней 4 и 5 из нижнего положения в верхнее система управления открывает впускной клапан 7 и продукты сгорания поступают из камеры сгорания 1 в виртуальную камеру сгорания цилиндра (часть нижней рабочей полости поршня 4 от его начала движения). Температура и давление продуктов сгорания, поступающих в виртуальную камеру сгорания цилиндра, при этом практически равна таковым в камере сгорания 1. Поршни начинают движение снизу вверх, и, когда пройдут соответствующий виртуальной камере сгорания путь, система управления закрывает впускной клапан 7. Доступ продуктов сгорания в цилиндр прекращается, и начинается процесс их расширения во всей нижней рабочей полости поршня 4 - в виртуальной камере сгорания и в виртуальном рабочем объеме цилиндра. Одновременно система управления отслеживает текущие значения скорости поршней 4 и 5, давление продуктов сгорания в камере сгорания 1, в нижней рабочей полости поршня 4 и давления сжимаемого в его верхней компрессорной полости воздуха. В соответствии с этими значениями система управления определяет момент времени открытия перепускного клапана 20, обеспечивающего максимальное расширение продуктов сгорания в нижней рабочей полости поршня 4 к моменту прибытия поршней 4 и 5 в верхнюю мертвую точку, и переводит в этот момент времени перепускной клапан 20 в открытое положение. В результате сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух через перепускной клапан 20 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5. Противодействие воздуха в нижней рабочей полости поршня 4 движению поршней резко уменьшается. К этому моменту в нижнюю компрессорную полость поршня 5 уже поступило некоторое количество воздуха из атмосферы. Поступающий туда же через перепускной клапан 20 до определенной степени сжатый в верхней компрессорной полости поршня 4 воздух дополнительно заряжает нижнюю компрессорную полость поршня 5, и засасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан 11 прекращается. При этом энергия, затрачиваемая на сжатие воздуха на данной фазе такта, также вместе с воздухом перебрасывается туда же. При этом поступающий сжатый воздух, расширяясь, сообщает дополнительный импульс кинетической энергии поршням 4 и 5. Энергия на преодоление динамического сопротивления в клапане 11 переносится на клапан 19. То есть моменты времени открытия и закрытия впускного клапана 7 и перепускного клапана 20 система управления определяет таким образом, чтобы обеспечить максимальную эффективность процесса расширения продуктов сгорания.
Реверсирование вращения коленвала однотактного двигателя осуществляется следующим образом. Если перед пуском однотактного двигателя в одноцилиндровом исполнении поршни 4 и 5 находятся в верхней или нижней мертвой точках, то коленвал 14 и шатун 13 окажутся в положении неустойчивого равновесия. Следовательно, и направление вращения коленвала при пуске окажется стохастичным, непредсказуемым. Задание направления вращения коленвала 14 в этом случае осуществляется следующим образом. Система управления механизмом сцепления соединяет стартер с коленвалом двигателя, проворачивает его и разъединяет их валы. Цель предпусковой операции - вывести коленвал 14 и шатун 13 из положения неустойчивого равновесия. В дальнейшем система управления форсункой 2 подает топливо в камеру сгорания 1 и воспламеняет его свечой зажигания 3. Одновременно система управления определяет мгновенное положение поршней 4 и 5 и коленвала 14. Затем открывает впускной клапан 7 или 15 в зависимости от того, в каком направлении задается вращение коленвала 14. Если угол поворота коленвала относительно штока 9 менее прямого угла и обеспечивает вращение коленвала в задаваемом направлении при движении поршней 4 и 5 из нижней крайней точки в верхнюю точку, система управления открывает впускной клапана 7. В противном случае система управления открывает впускной клапан 15. В обоих случаях поступающие в рабочие полости поршней продукты сгорания через поршни 4, 5, штоки 8, 9 и шатун 13 вращают коленвал 14 в заданном направлении. Однотактный двигатель с двумя и более цилиндрами не нуждается в стартере. В многоцилиндровом исполнении двигателя как минимум в одном из цилиндров всегда окажется такой, в котором поршни находятся в положении, при поступлении продуктов сгорания в рабочие полости которых обеспечивается вращение коленвала двигателя в любом задаваемом направлении.
Управление рециркуляцией выхлопных газов на всех режимах работы положительно влияет на экономические и экологические характеристики двигателя. Для обеспечения рециркуляции выхлопных газов в цилиндр двигателя с целью оптимизации процесса сгорания топлива во всем диапазоне нагрузок на двигатель система управления для каждого такта определяет соответствующие задаваемой мощности моменты времени закрытия и открытия газораспределительных клапанов массу выхлопных газов для ввода их в компрессорные полости поршней 4 и 5. При движении поршней 4 и 5 из нижней крайней точки в верхнюю крайнюю точку отработавшие продукты сгорания из верхней рабочей полости поршня 5 через выпускной клапана 12 выбрасываются в атмосферу. В заранее определенный системой управления момент времени система управления закрывает выпускной клапана 12 и открывает перепускной клапан 21. Оставшаяся в верхней рабочей полости поршня 5 часть выхлопных газов через перепускной клапан 21 перетекает в нижнюю компрессорную полость поршня 5 и смешивается там с всасываемым через обратный клапан 11 атмосферным воздухом. При последующем движении поршней 4 и 5 из верхней крайней точки в нижнюю смесь выхлопных газов с воздухом через обратный клапан 18 поступает во внешнюю камеру сгорания 1. Одновременно в заранее определенный системой управления момент времени система управления закрывает выпускной клапана 16 и открывает перепускной клапан 22. Оставшаяся в нижней рабочей полости поршня 4 часть выхлопных газов через перепускной клапан 22 перетекает в верхнюю компрессорную полость поршня 5 и там смешивается с всасываемым через обратный клапан 19 воздухом, после чего смесь выхлопных газов с воздухом через обратный клапан 10 поступает во внешнюю камеру сгорания 1.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ рециркуляции выхлопных газов в цилиндр однотактного двигателя с внешней камерой сгорания и кривошипно-шатунным механизмом, содержащего систему управления, внешнюю камеру сгорания, поршни, перепускной клапан, рабочую полости поршня, компрессорную полость поршня и обратный клапан, отличающийся тем, что система управления для каждого такта определяет соответствующие задаваемой мощности массу топлива, массу выхлопных газов и моменты времени закрытия и открытия газораспределительных клапанов, и на такте выпуска отработавших продуктов сгорания из рабочей полости для данного поршня в определенный системой управления момент времени система управления закрывает клапан выпуска продуктов сгорания и открывает перепускной клапан, при этом оставшаяся в рабочей полости поршня часть выхлопных газов через перепускной клапан вытесняется в компрессорную полость поршня и смешивается там с всасываемым через обратный клапан атмосферным воздухом, после чего при последующем такте поршень движется в противоположном направлении, и смесь выхлопных газов с воздухом из компрессорной полости поршня через обратный клапан поступает во внешнюю камеру сгорания.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Затраты на НИОКР заявленного изобретения не могут значительно отличаться от таковых при проектировании и отработке классических ДВС. При современном состоянии развития электроники создание автоматической системы управления вполне ординарная задача.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
На фиг.1 приведена схема свободнопоршневого генератора газов прямоточного двигателя с двумя поршнями привода компрессора, где обозначено: 1 - камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 12 - газораспределительный клапан; 5, 8 - поршень привода компрессора; 6 - шток; 7 - поршень компрессора; 9, 10, 11, 13, 14, 15, 16, 17 - обратный клапан; 18 - заслонка; 19 - распределительный коллектор.
На фиг.2 - принципиальная схема однотактного двигателя с внешней камерой сгорания, где обозначено: 1 - внешняя камера сгорания; 2 - форсунка; 3 - свеча зажигания; 4, 5 - поршень двигателя; 6, 17 - трубопровод; 7, 15 - впускной клапан; 8, 9 - шток; 10, 11, 18, 19 - обратный клапан; 12, 16 - выпускной клапан; 13 - шатун; 14 - коленвал двигателя; 20, 21, 22 - перепускной клапан.