ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
FOUR STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к конструкции поршневых двигателей внутреннего сгорания.
Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус, механизм газораспределения, систему воздухоснабжения, систему питания, систему охлаждения и систему смазки и другие части, рабочий цикл которого осуществляется за четыре такта за два оборота вала двигателя [1].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, относятся его низкая удельная мощность и достаточно высокие показатели выброса углекислого газа и сажи.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному по совокупности существенных признаков является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий по крайней мере два цилиндра, поршни, размещенные в цилиндрах, механизмы преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала двигателя, включающие диски, попарно жестко закрепленные на соединительном валу и снабженные двумя взаимно перпендикулярными и диаметральными пазами, в каждом из которых размещен ползун, и шатуны, шарнирно соединенные с ползунами соответствующих дисков, соединительные валы, установленные в подшипниках и кинематически связанные с валом двигателя, принятый за прототип [2].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится его низкая экологическая эффективность.
Задачей изобретения является создание четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего получение технического результата, состоящего в дальнейшем повышении надежности работы двигателя в четырехтактном рабочем цикле и повышении экономической и экологической эффективности работы двигателя.
Технический результат достигается тем, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит по крайней мере два цилиндра, поршни, размещенные в цилиндрах, механизмы преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала двигателя, включающие диски, попарно жестко закрепленные на соединительном валу и снабженные двумя взаимно перпендикулярными и диаметральными пазами, в каждом из которых размещен ползун, и шатуны, шарнирно соединенные с ползунами соответствующих дисков, соединительные валы, установленные в подшипниках и кинематически связанные с валом двигателя.
Особенностью является то, что он снабжен турбокомпрессором, соединенным с впускным и выпускным коллекторами двигателя, вихревой трубой, "горячий" выход которой связан с системой обогрева бака для водного или водно-спиртового раствора аммиачной селитры, а «холодный» выход - с системой жидкостного охлаждения, размещенными в головке цилиндров запорной форсункой для подачи водного или водно-спиртового раствора аммиачной селитры и форсункой для подачи углеводородного топлива, а в топливной смеси присутствует водный или водно-спиртовой раствор аммиачной селитры.
Сущность изобретения поясняется фиг.1-3.
Фиг.1 иллюстрирует схему работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, где:
а) - первый такт - впуск;
б) - второй такт - сжатие;
в) - третий такт - сгорание и расширение (рабочий ход);
г) - четвертый такт - выпуск.
Фиг.2 иллюстрирует кулисно-рычажный механизм.
Фиг.3 иллюстрирует общий вид двигателя внутреннего сгорания.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит по крайней мере два цилиндра 1, головку цилиндров 2, в которой размещены впускной клапан 3 и выпускной клапан 4, запорная форсунка 5 для подачи водного или водно-спиртового раствора аммиачной селитры и форсунка 6 для подачи углеводородного топлива. Поршни 7 размещены в цилиндрах 1.
Механизмы преобразования возвратно-поступательного движения поршней 7 во вращательное движение вала 8 двигателя содержат диски 9 и шатуны 10. Диски 9 попарно жестко закреплены на соединительном валу 11 и снабжены двумя взаимно перпендикулярными и диаметральными пазами 12, в каждом из которых размещен ползун 13. Шатуны 10 шарнирно соединены с ползунами 13 соответствующих дисков 9.
Соединительные валы 11 установлены в подшипниках и кинематически связаны с валом 8 двигателя.
Двигатель содержит турбокомпрессор 14, соединенный с впускным 15 и выпускным 16 коллекторами и вихревую трубу 17. "Горячий" выход вихревой трубы 17 связан с системой обогрева бака 18 для водного или водно-спиртового раствора аммиачной селитры, а «холодный» выход - с системой жидкостного охлаждения. В топливной смеси присутствует водный или водно-спиртовой раствор аммиачной селитры.
Регулировка подачи компонентов топлива осуществляется с помощью двух топливных насосов 19 высокого давления и двух форсунок - запорной форсунки 5 для подачи водного или водно-спиртового раствора аммиачной селитры и форсунки 6 для подачи углеводородного топлива из бака 21. Воздух из атмосферы проходит через воздухоочиститель 20.
Работа четырехтактного двигателя осуществляется следующим образом.
Рабочий цикл в двигателе, совершаемый в четыре такта (фиг.1, 2), происходит за один оборот вала 8 двигателя.
Первый такт - впуск (фиг.1а). Поршень 7 находится в положении, близком к верхней мертвой точке. При вращении вала 8 шатун 10 перемещает поршень 7 к нижней мертвой точке, при этом ползуны 13, шарнирно связанные с шатуном 10, перемещаются в соответствующих им пазах 12, поворачивая диск 9, а распределительный механизм открывает впускной клапан 3, и цилиндр 1 заполняется охлажденным воздухом, поступающим из турбокомпрессора 14 через впускной коллектор 15, водным или водно-спиртовым раствором аммиачной селитры из запорной форсунки 5. При этом воздух из атмосферы проходит через воздухоочиститель 20 (фиг.3). При достижении нижней мертвой точки соединительный вал 11 двигателя поворачивается на 90°. Впускной клапан 3 закрывается.
Второй такт - сжатие. Поршень 7 движется к верхней мертвой точке (фиг.1б), сжимая смесь. Ползуны 13 перемещаются в пазах 12 дисков 9. В начальный период сжатия постепенно происходит эндотермическая диссоциация селитры на аммиак и азотную кислоту:
4
3
3
3
NHNO→NH+HNO-174,4 кДж/моль.
Далее протекает в основном слабоэкзотермическая реакция разложения селитры на закись азота и воду:
4
3
2
2
NHNO→NO+2HO+36,8 кДж/моль.
Заметное влияние на скорость терморазложення оказывает диоксид азота, который образуется при термическом разложении азотной кислоты, являющейся продуктом диссоциации аммиачной селитры. При взаимодействии диоксида азота с селитрой образуются азотная кислота, вода и азот:
4
3
2
2
3
2
NHNO+2NO→N+2HNO+HO+232 кДж/моль.
Далее реакция протекает по цепному механизму и разложение селитры протекает по уравнению:
4
3
2
2
2
NHNO→N+0.5O+2HO+118 кДж/моль.
Вблизи верхней мертвой точки из форсунки 6 (фиг.1, 2) впрыскивается углеводородное топливо. Горючая смесь воспламеняется. Выделение большого количества тепла/энергии (приблизительно 0,96 МДж/кг водного раствора аммиачной селитры) и дополнительного кислорода при разложении аммиачной селитры приводит к более полному сгоранию углеводородного компонента топлива.
При достижении поршнем 7 верхней мертвой точки соединительный вал 11 двигателя поворачивается на 180°.
Третий такт - сгорание и расширение (фиг.1в). Третий такт происходит при ходе поршня 7 от верхней к нижней мертвой точке. В начале такта интенсивно сгорает топливо. Вследствие выделения большого количества теплоты температура и давление в цилиндре 1 резко повышаются. Под действием давления происходит дальнейшее перемещение поршня 7 к нижней мертвой точке и расширение газов. Ползуны 13 скользят в пазах 12, поворачивая диск 9. Во время расширения газы совершают полезную работу. Третий такт является рабочим ходом поршня. Достижению нижней мертвой точки соответствует поворот соединительного вала 11 двигателя на 270°.
Четвертый такт - выпуск (фиг.1г). Поршень 7, перемещаясь от нижней к верхней мертвой точке, вытесняет газы из цилиндра 1 через открытый выпускной клапан 4. При достижении поршнем 7 верхней мертвой точки выпускной клапан 4 закрывается. Ползуны 13 занимают соответствующее положение. Соединительный вал 11 двигателя совершает полный оборот. Четвертым тактом заканчивается рабочий цикл. При дальнейшем движении поршня 7 в той же последовательности повторяются все процессы цикла.
Регулировка подачи компонентов топлива осуществляется с помощью двух топливных насосов 19 высокого давления для углеводородного топлива и раствора аммиачной селитры и двух форсунок 5 и 6.
Способность вихревой трубы 17 создавать в приосевой области вихревой зоны пониженные давления используется для получения очень высоких эффектов охлаждения за счет увеличения степени расширения газа в вихре. При температуре подводимого сжатого воздуха 20-30°С в вихревой трубе 17 устойчиво может быть достигнуто его охлаждение до минус 30-40°С. В то же время в летнем варианте в горячей части двигателя получается воздух с температурой плюс 50-70°С.
В зимнем варианте дросселем вихревой трубы 17 производят регулировку соотношения между холодной и горячей составляющими потока. Зимой и летом этот воздух нужен для обдува бака 20, содержащего водный или водно-спиртовой раствор аммиачной селитры, и подачи в цилиндр 1 двигателя воздуха нужной температуры.
Таким образом, за счет использования турбокомпрессора 14 и вихревой трубы 17 происходит охлаждение топливной смеси, подаваемой в цилиндры 1, стенок цилиндров 1 и верхней поверхности поршней 7.
Особенности конструкции позволяют эксплуатировать его в детонационном режиме при высоких степенях сжатия на бедных смесях и альтернативных видах топлива, при этом четыре такта двигателя осуществляются за один оборот вала.
Применение водно-нитратных смесей в качестве компонентов топлива имеет целый ряд преимуществ.
Во-первых, по энергетическому запасу они сравнимы с бездымным порохом, но при этом пожаро- и взрывобезопасны.
x
Во-вторых, более экологичны. Доказано, что в продуктах сгорания водно-нитратных смесей содержание угарного газа СО и оксидов азота NO на 2-3 порядка ниже, чем в выхлопе «нефтяных» двигателей внутреннего сгорания.
В-третьих, имеют экономические преимущества. Работоотдача водно-нитратных смесей определяется предельным расширениям газов до 103 раз, что почти в 3 раза больше, чем у бензина, а следовательно, расход смеси меньше при явно более низкой себестоимости смеси: водно-нитратная смесь в 15-20 раз дешевле бензина [3, 4, 5, 6].
Список литературы
1. Алексеев В.П. и др. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для студентов втузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / В.П.Алексеев, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др. / Под ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 3-е изд. Перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1980. - 288 с.
2. Колмогоров Н.И., Гарбуз Э.И., Горин А.А., Белов В.А., Экемскин A.M. Патент №2291313. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (варианты).
3. Колганов Е.В., Смирнов С.П., Смирнов А.С., Ильин В.П., Хворов Ф.Т., Михайлюкова А.И. Исследования детонационных характеристик аммиачной селитры // Горный журнал. 2006. №5. С.88-90.
4. Некрасов В.Г., Макаров А.Ф. Альтернативное возобновляемое экологически чистое моторное топливо на азотно-водородной основе // Газотурбинные технологии. 2008. №1. С.38-40.
5. Некрасов В.Г., Макаров А.Ф. Нитратные смеси как альтернативный возобновляемый экологически чистый энергоноситель // Сибирский промышленник, Россия, Новосибирск, 2007, №2. С.10-11.
6. Макаров А.Ф., Некрасов В.Г. «Жидкий порох» - возобновляемое и экологически чистое топливо // Техномир, Россия, Санкт-Петербург, 2007, №1. С.10-16.