ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Предлагаемая конструкция относится к области двигателестроения, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, в которых в качестве подвода теплоты используется тепло от сгорания топливной смеси в цилиндрах двигателя, а охлаждение производится в последовательно работающих радиаторах соединенных с расширительным цилиндром.
Одним из главных требований развития современного автомобиля в настоящее время кроме современных технологий изготовления, дизайна, удобства эксплуатации, экологии выхлопа и высоких технических характеристик является снижение расхода топлива на 100 км пути, т.к. именно эта составляющая является главной компонентой расходной части содержания автомобиля, которая имеет тенденцию постоянного роста.
Именно исходя из данного положения, несмотря на постоянное совершенствование ДВС в автомобилестроении, использующих классический четырехтактный цикл Отто, в мире не ослабевает интерес к работам по созданию альтернативных схем сгорания топлива, в которых используются гибридные топлива, цикл с продолженным расширением газов от сгорания, схемы с так называемым «внешним сгоранием» и т.п.
Особо остро проблема расхода топлива стоит в сельском хозяйстве, в местностях, где нет проводного электричества, где фермеры работают используя технику, работающую на топливе из нефтепродуктов.
Для них требуется двигатели с особо минимальным расходом топлива и очень бережным отношением к экологии.
Уровень техники.
Известны бензиновые ДВС (Большой энциклопедический политехнический словарь. Издательство «Большая Российская энциклопедия». 2000 г. стр.141), в которых используется классическая схема цикла Карно.
Недостатками такого ДВС являются:
- высокие, почти самолетные, требования, предъявляемые к выполнению основных узлов.
- использование высокооктановых топлив.
Известны дизельные ДВС (Большой энциклопедический политехнический словарь. Издательство «Большая Российская энциклопедия». 2000 г. стр.152.), в которых используется классическая схема цикла Дизеля.
Недостатками такого ДВС являются:
- высокие технические требования, предъявляемые к основным узлам;
- сложность топливорегулирующей аппаратуры;
- использование высококачественных топлив.
Известны двухтактные бензиновые ДВС (П.Н.Котов.АА-Капустин. Ленинград Машиностроение. Ленинградское отделение. Ремонт мотоциклов. 19 86 г.стр.72
Недостатками такого типа бензиновых ЛВС являются:
- ограничение мощности двигателя по сравнению с четырехтактным;
- сравнительно низкий уровень живучести ЛВС.
Известны двигатели так называемого внешнего сгорания (Двигатель Стирлинга. Большой энциклопедический политехнический словарь. Научное издательство. «Большая Российская энциклопедия.». 2000 г. Стр.505), в которых в замкнутом газодинамическом пространстве двух цилиндров с поршнями используются нагрев и охлаждение рабочего тела, с результирующим получением механической энергии, например вращения.
Недостатками такого типа двигателей являются:
- небольшой энергетический диапазон между нагревом и охлаждением, и, как следствие, ограниченный уровень достигаемой мощности двигателя;
- неприемлемость данной схемы двигателя для современных быстроходных автомобилей.
Известны ЛВС внутреннего сгорания (патент РФ на полезную модель №80507 от 10.09.2008 г. МПК: F021B 41/06) с так называемым продолженным расширением продуктов сгорания, схема которых позволяет существенно улучшить такие показатели ЛВС как расход топлива, КПД, показатели экологии выхлопа.
Недостатками такого типа двигателей являются:
- повышенный вес и габариты данного типа ДВС по сравнению с аналогичными классическими ДВС, предполагающие использование данных двигателей в стационарных условиях;
экономическая незаинтересованность двигателестроителей в продвижений данной схемы, существенно снижающей расход топлива и упрощающей конструкцию ДВС.
Вышеуказанная конструкция выбрана автором в качестве прототипа предлагаемому ДВС, как наиболее близкая по технической сути и достигаемому техническому эффекту при использовании.
Раскрытие полезной модели.
Задачей, которую автор решал, разрабатывая предложенную конструкцию, являлось существенное упрощение жесткости требований к конструкции двигателя и топливу, с одновременным улучшением технических показателей в части расхода топлива, экологии и КПД.
Данная задача решена в предложенной конструкции ЛВС, которая содержит следующий перечень существенных признаков:
- соединенные патрубком рабочий и расширительный цилиндры с поршнями, противофазно соединенными с коленчатым валом;
- двухтактный цикл рабочего цилиндра по типу впуск топливной смеси, воспламенение ее в НМТ и горение топливной смеси с перепуском продуктов сгорания в расширительный цилиндр при движении поршня к ВМТ;
- размещение в расширительном цилиндре двух выпускных клапанов соединенных с атмосферой;
- соединение каждого выпускного клапана с атмосферой через проточный охладитель и клапан сброса;
- последовательное срабатывание выпускных клапанов расширительного цилиндра в период впуска рабочей смеси в рабочем цилиндре;
- изменение порядка открытия выпускных клапанов в очередном цикле в рабочем цилиндре;
- газораспределительный механизм управления клапанами рабочего и расширительного цилиндров;
- системы для обеспечения работы рабочего цилиндра.
Новыми признаками предложенного ДВС являются:
- двухтактный цикл рабочего цилиндра по типу впуск топливной смеси, воспламенение ее в НМТ и горение топливной смеси с перепуском продуктов сгорания в расширительный цилиндр при движении поршня к ВМТ;
- размещение в расширительном цилиндре двух выпускных клапанов соединенных с атмосферой;
- соединение каждого выпускного клапана в расширительном цилиндре с атмосферой через проточный охладитель и клапан сброса;
- последовательное срабатывание выпускных клапанов расширительного цилиндра в период впуска рабочей смеси в рабочем цилиндре;
- изменение порядка открытия выпускных клапанов в очередном цикле в рабочем цилиндре.
По мнению автора, новые вышеуказанные признаки ДВС являются существенными, т.к. несмотря на известность их по отдельности в двигателестроении только в предложенной совокупности стало возможным улучшить показатели ДВС по расходу топлива, КПД и экологии выхлопа с одновременным снижением веса и габаритов корпуса двигателя вследствие уменьшения давления в цилиндре (нет такта сжатие, а есть просто горение смеси) и возможности использования для работы ДВС любой марки бензина.
Краткое описание чертежей.
Предложенный ДВС схематично представлен на фиг.1-4, где:
- на фиг.1 представлено положение деталей ДВС в начале такта впуск топливной смеси в рабочем цилиндре;
- на фиг.2 представлено положение деталей ДВС при «воспламенении» топливной смеси в рабочем цилиндре;
- на фиг.3 представлено положение деталей ДВС в конце такта «горение топливной смеси» в рабочем цилиндре
Осуществление полезной модели.
Предлагаемый ДВС содержит рабочий 1 и расширительный 2 цилиндры, соединенные патрубком 3, поршни которых 4 и 5 соединены с коленчатым валом 15 противофазно. Рабочий цилиндр имеет впускной 6 и выпускной 7 клапана.
Рабочий цилиндр 1 снабжен свечой зажигания 8.
Расширительный цилиндр 2 имеет два выпускных клапана 9, 10, выходы которых через охладители 11, 12 и клапаны сброса 13, 14 соединены с атмосферой.
ДВС имеет соответствующие системы приготовления топливо -воздушной смеси, зажигания и газораспределительный вал (на чертежах не указаны) для управления клапанами 6, 7, 9 и 10.
Работа устройства заключается в следующем.
Газораспределительным механизмом организован двухтактный цикл в рабочем цилиндре 1 по следующей схеме.
При движении поршня 4 вниз открывается впускной клапан 6 (фиг.1) и топливо - воздушная смесь под воздействием разрежения начинает поступать в полость цилиндра 1.
В это время в расширительном цилиндре 2 поршень 5 перемещается от нижней мертвой точки (в дальнейшем НМТ) к верхней мертвой токе (в дальнейшем ВМТ) за счет разряжения давления в цилиндре 2, которое образовывается при охлаждении и сжатии отработавших газов в охладителях 11, 12 во время предыдущего такта. Горячие газы из цилиндра 2 перепускаются в полости охладителей 11, 12 через открытые выпускные клапаны 9, 10 и продолжают там расширяться.
В конце такта выпускные клапаны 9, 10 цилиндра 2 и впускной клапан 6 цилиндра 1 закрываются, а выпускной клапан 7 цилиндра 1 открывается (ФИГ.2)
В то время, как поршень 4 достигает НМТ, подается разряд на свечу зажигания 8 и топливо-воздушная смесь воспламеняется. Горящая смесь перепускается через открытый выпускной клапан 7 и соединительный патрубок 3 в полость цилиндра 2 и расширяется. В результате этого расширения над поршнем 5 создается давление, под действием которого последний перемещается к НМТ и посредством привода поворачивает коленчатый вал 15. В это время отработавшие газы, которыми были заполнены полости охладителей 11, 12, сжимаются там вследствие отвода теплоты.
Во время приближения поршня к НМТ, с некоторым недоходом (угол поворота коленчатого вала определяется опытным путем), открывается выпускной клапан 9 (Фиг.3), и вакуум в полости охладителя 11 заполняется газами. В тот момент, когда давление в охладителе 11 становится выше давления окружающей среды, открывается клапан сброса 13 и часть охлажденных газов выбрасывается в атмосферу. Как только давление в полостях цилиндра 5 и охладителя 11 снижается и становится равным давлению окружающей среды, клапан сброса 13 закрывается.
После этого, когда поршень 5 достигает НМТ, выпускной клапан 7 цилиндра 1 закрывается, а выпускной клапан 10 цилиндра 2 и впускной клапан 6 цилиндра 1 открываются (Фиг.1)
Под действием вакуума, образовавшегося в полости охладителя 12, поршень 5 движется к ВМТ и цикл повторяется с той разницей, что клапаны 9, 10 срабатывают в обратном порядке, т.е. сначала открывается клапан 10 и производится продувка охладителя 12 через клапан сброса 14, а потом открывается клапан 9.
Особенностью данного двигателя является отсутствие такта сжатия, горение рабочей смеси происходит при значительно меньших давлениях и температурах. Это значит, что сгорание топлива будет более полным и без образования большого количества токсичных веществ, механическая нагрузка на основные узлы и детали сократится в несколько раз, уменьшатся потери энергии на трения.
В предлагаемом ДВС использован цикл продолженного расширения газов, кроме того, как и в двигателях с внешним сгоранием, использование охладителей, т.е. применение обратного термодинамического процесса, дает возможность более эффективно использовать тепловую энергию, получаемую при сгорании жидкого топлива.
По предварительным подсчетам автора КПД данного двигателя будет выше как минимум в два раза чем у существующих, а это значит, что значительно уменьшится потребление топлива, в разы снизится прямой выброс теплоты в атмосферу.
В конструкции ДВС используются стандартные материалы для двигателестроения и типовое технологическое оборудование.
В настоящее время автором прорабатывается вопрос моделирования данного ДВС.