ПРИНЦИП ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ОБЪЕМА РАСШИРЕНИЯ С НОВОЙ СХЕМОЙ КШМ В ОППОЗИТНОМ ДВС СО ВСТРЕЧНЫМИ МОТЫЛЯМИ
TWO-STAGE EXPANSION WITH NEW CRANK GEAR CONFIGURATION IN OPPOSED ICE WITH OPPOSED CRANKS

Изобретение относится к машиностроению.
Принцип двухступенчатого объема расширения состоит в увеличении фазы расширения у поршневых ДВС и разделения ее на два этапа, чтобы полностью использовать энергию расширения рабочих газов. Оппозитный двигатель с двухступенчатым объемом расширения может применяться для организации «паровой фазы» у поршневых ДВС, чтобы использовать не только кинетическую, но и тепловую энергию рабочих газов. А новый, разработанный автором, тип кривошипно-шатунного механизма (КШМ) позволяет создание компактного, многошатунного приводного механизма для двух оппозитных пар разнодвижущихся поршней, которые и обуславливают создание двух смежных камер в рабочем объеме двигателя. Без добавочного поршня этот тип КШМ может быть использован в обычных поршневых двигателях с оппозитной схемой для уравновешивания знакопеременных боковых нагрузок в сопряжении поршня и цилиндра двигателя.
Аналогов в просмотренных базах данных и литературе не обнаружено.
Известны и широко применяются поршневые ДВС с классической схемой КШМ. Где поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение коленвала с помощью шатуна и параллельных, однонаправленно вращающихся щек (мотылей) коленвала. Такая схема преобразования имеет большой недостаток, так как является неуравновешенной и создает знакопеременные боковые нагрузки в сопряжении поршня и цилиндра двигателя (в тронковых ДВС), вибрацию, а также не позволяет получить достаточный рабочий ход поршня относительно габаритов и диаметра коленвала.
Для уменьшения влияния этих недостатков использовались такие методы, как установка промежуточного ползуна, воспринимающего эти нагрузки в крейцкопфных ДВС, и смещение оси цилиндров двигателя относительно радиального положения к коленвалу, что частично снижало износ в тронковых ДВС, но еще больше уменьшало ход поршня.
Предлагаемая конструкция КШМ уравновешивает знакопеременные нагрузки парных шатунов и позволяет получить в два раза больший рабочий ход поршня, по сравнению с классической схемой КШМ, что и использовано в предлагаемом двигателе для привода малого внутреннего поршня и создания компактного, многошатунного приводного механизма для четырех разнодвижущихся поршней двигателя.
Задача изобретения - устранить знакопеременные боковые нагрузки в сопряжении поршня и цилиндра двигателя; уменьшить диаметр мотылей КШМ (соответственно и габариты двигателя) относительно рабочего хода поршня; полностью использовать энергию расширения рабочих газов; использовать температуру газов и стенок цилиндров двигателя путем реализации в двигателе «паровой фазы»; уменьшить влияние детонации топлива на кинематическую схему двигателя.
Это достигается тем, что:
- в конструкции применены парные, синхронные, встречно вращающиеся мотыли, механически связанные между собой;
- наличием двух смежных камер расширения в рабочем объеме двигателя;
- используются два поршня с разными скоростями и длиной хода в смежных камерах рабочего объема двигателя;
- наличием у каждого поршня в паре оппозитных поршней, двух парных шатунов, уравновешивающих знакопеременные нагрузки;
- кинематическая схема движения шатунов меняет их направление при прохождении диаметральной плоскости мотылей, тем самым увеличивая рабочий поршня ход в два раза.
Оппозитный двигатель с двухступенчатым объемом расширения и встречными мотылями (Фиг.1) состоит из картера двигателя с расположенными в нем парными, синхронными, встречно вращающимися мотылями (1), установленными в рамных подшипниках (2). На них в мотылевых подшипниках (3) устанавливаются шатуны (4), так же работающие в паре. Вторым концом парные шатуны крепятся в подшипнике штока малых оппозитных поршней (5). Встречные мотыли механически связаны между собой посредством согласующей зубчатой шестерни (8). Нагрузку можно снимать с любого мотыля или с согласующей шестерни, в зависимости от компоновки. Малые поршни, с жестко закрепленным на них штоком (9), движутся соосно во втулках больших поршней (10) поступательно, без боковых нагрузок. Так как знакопеременные боковые нагрузки компенсируются парными шатунами и с помощью встречного вращения мотылей преобразуются в поступательное движение штока поршня. Шатуны выполнены длиной, соответствующей радиусу парных мотылей, что позволяет получить динамику их движения с изменением его направления (переброса) во время прохождения ими диаметральной плоскости встречных мотылей. Это дает возможность увеличить рабочий ход малых поршней, по отношению к большим, в два раза. Большие же поршни с проходной втулкой для малого поршня имеют классический шатунный привод (11) от каждого из встречных мотылей, так же уравновешивающие боковые нагрузки, и имеют рабочий ход, равный диаметру этих мотылей.
Рабочие циклы двигателя (Фиг.2):
1. малый поршень, двигаясь совместно с большим, но с вдвое большей скоростью к ВМТ, сжимают заряд воздуха сначала в общем рабочем объеме, затем в камере сгорания с высокой степенью сжатия;
2. в камеру сгорания впрыскивается топливо и начинается процесс горения - расширения;
3. при достижении малым поршнем края камеры сгорания, горячие газы попадают во вторую камеру расширения и до конца используют энергию расширения. А при реализации «паровой фазы», впрыскивается вода и используется процесс парообразования для преобразования температуры рабочих газов в дополнительное расширение пара, уменьшения температуры выхлопных газов и охлаждения стенок рабочего объема двигателя;
4. когда большой поршень, двигаясь к НМТ, открывает выхлопные и продувочные окна, происходит выхлоп и смена воздушного заряда в рабочем объеме двигателя.
Малый диаметр и быстрый ход малого рабочего поршня, а также последующее увеличение рабочего объема двигателя, где взрывная волна гасится и рассеивается, позволяет применять различные виды топлива, не опасаясь процесса детонации.
Наличие второй камеры расширения и использование для расширения уже «готовых» горячих газов позволило воплотить во втором контуре «Паровую фазу».
Этот способ использования внутренней энергии повышенной температуры газов в ДВС практически слабо используется, ее стараются как можно быстрее рассеять и выделить в окружающее пространство через систему охлаждения.
Попытку хоть как-то утилизировать тепло сгорания топлива в ДВС, превратив его температуру в дополнительные "порции давления", пытаются применить уже более 100 лет.
Попытки были сделаны в нескольких направлениях: 1 - «Подача воды с газообразной рабочей смесью в цилиндры двигателя на такте «Впуск» через впускной коллектор». Т.е. водяная пыль присутствовала в свежем заряде рабочей смеси, которую надо было поджечь. При ее поджоге и первой фазе выделения тепла часть воды мгновенно переходила в пар, давление в цилиндре поднималось, а температура падала. Естественно такое уменьшение температуры, да еще заполнение цилиндра паром и испаряющейся водой, мешало дальнейшему нормальному процессу горения оставшейся части рабочей смеси. В итоге - несколько увеличивая термический КПД процесса, получаем значительную часть несгоревших паров топлива, т.е. малую топливную эффективность и грязный выхлоп, со значительным содержанием паров топлива.
2 - "Подача воды в цилиндр через отдельную форсунку в начальном периоде такта «горение - расширение»". В этом случае процесс организации паровой фазы осуществляется так, чтобы он как можно меньше мешал процессу горения. Впрыск воды должен осуществляться уже после завершения процесса горения рабочей смеси, в среднем на значении в 40° от ВМТ.
Но при этом возникают серьезные сложности. В это время давление в цилиндре составляет от 90 до 60 атмосфер, и чтобы впрыснуть туда через форсунку несколько капель воды надо большой и сложный насос высокого давления и для его привода тратить немало энергии от коленвала двигателя. Кроме того, для образования пара нужно некоторое время. За это время поршень активно уходит вниз и путь для срабатывания добавочного давления остается совсем малым. Надо добавить, что степень расширения в традиционном поршневом ДВС равна степени сжатия, поэтому даже сами выхлопные газы от классического цикла ДВС не успевают преобразовать свое давление в полезную работу и идут на выхлоп с давлением в 6-8 атмосфер. Поэтому добавочное давление от паровой фазы совсем не будет иметь "места-объема", чтобы проявить себя, для этого нужна значительная продолжительность рабочего хода. Здесь нужен двигатель, где степень расширения была на 50-70% больше степени сжатия (как минимум), что при классической схеме поршневого мотора практически невозможно.
3 - «Подача воды в отдельно устроенном для этого такте». Для этого рабочий цикл удлиняют на 2 такта. В этом случае он выглядит так: - «впуск рабочей смеси» - «сжатие» - «горение-расширение» - «выпуск отработавших газов» - «впрыск воды-расширение пара» - «выпуск пара». При этом рабочий цикл совершается за 6 тактов (3 оборота коленвала двигателя). У рационального на первый взгляд способа организации рабочих процессов есть один серьезный недостаток. На 4-м такте «Выпуск отработавших газов» происходит выхлоп основной части раскаленных газов рабочего тела. И паровая фаза это тепло никак не использует, а превращает в работу давления пара только температуру нагрева поверхностей двигателя. Т.е. этот способ сразу намерен пытаться превратить в работу не более 50% потерь тепла поршневого ДВС.
Таким образом сама конструкция поршневого ДВС остается абсолютно враждебной к попыткам вмонтировать в его рабочий цикл «паровую фазу», из-за несовершенной организации их технологического цикла, когда процессы «горение» и «расширение» совмещены в одном рабочем такте.
Эти проблемы решаются в двигателе с двухступенчатым объемом расширения. Так как сопла водяных форсунок находятся в камере меньшего давления, это облегчает впрыск воды в рабочий объем двигателя. В камеру меньшего давления подаются горячие газы уже сгоревшего топлива. Образование перегретого водяного пара происходит в начале такта расширения во втором контуре рабочего объема. Конструкция двигателя позволяет сделать камеру «расширения» достаточного объема для расширения рабочих газов и водяного пара.
Предлагаемая конструкция КШМ уравновешивает знакопеременные нагрузки парных шатунов и позволяет получить в два раза больший рабочий ход поршня, по сравнению с классической схемой КШМ, что и использовано в предлагаемом двигателе для привода малого внутреннего поршня и создания компактного, многошатунного приводного механизма для четырех разнодвижущихся поршней двигателя. Но данная кинематическая схема КШМ не является жестким приводом, так как имеет две степени свободы движения парных шатунов в «точке переброса», когда шатуны проходят диаметральную плоскость мотылей. В данной точке они могут пойти складываться как вверх, так и вниз, в зависимости от направления усилия, приложенного к штоку поршня. Поэтому такая схема КШМ может применяться только в оппозитном двухтактном ДВС с двумя поршнями на жестком штоке. При этих условиях к штоку всегда будет приложено усилие в требуемом направлении для прохождения точки «переброса». Такая схема не позволит запуск двигателя от стартера, раскручивающего вал. Здесь применим запуск сжатым воздухом, действующим непосредственно на поршни двигателя. Также невозможно динамическое торможение двигателем.
Существенность отличий принципа двухступенчатого объема расширения с новой схемой КШМ от других известных кинематических схем поршневых двигателей обусловлена:
- отсутствием такой дорогостоящей и сложной в изготовлении детали, как коленвал;
- наличием встречно вращающихся мотылей;
- наличием у каждого поршня в паре оппозитных поршней, двух парных шатунов, уравновешивающих знакопеременные нагрузки;
- схема движения шатунов меняет их направление (перебрасывание), при прохождении диаметральной плоскости мотылей;
- наличием двух смежных камер расширения в рабочем объеме двигателя;
- использованием двух поршней с разными скоростями и длиной хода в смежных камерах рабочего объема двигателя.
Плюсы конструкции:
- Уравновешивает знакопеременные нагрузки парных шатунов.
- Позволяет получить в два раза больший рабочий ход поршня, по сравнению с классической схемой КШМ.
- Позволяет уменьшить диаметр мотылей КШМ (соответственно и габариты двигателя) относительно рабочего хода поршня.
- Позволяет полностью использовать энергию расширения рабочих газов, также использовать тепловую энергию рабочих газов.
- Дает возможность реализовать в поршневом ДВС так называемую «паровую фазу».
- Увеличить КПД двигателя и уменьшить удельный расход топлива.
- Позволяет уменьшить влияние детонации топлива на кинематическую схему двигателя.
Все вышеизложенное позволяет автору надеяться на широкое применение схемы двухступенчатого объема расширения и КШМ нового типа в оппозитных двигателях с длительными, устойчивыми режимами работы, таких как приводы электрогенераторов, судовые и тепловозные дизели.