Способ работы теплового двигателя и двигатель
HEAT ENGINE OPERATION METHOD AND ENGINE

Группа изобретений относится к двигателестроению и может быть использована при проектировании и освоении выпуска высокоэкономичных двигателей.
Известен способ работы теплового двигателя [1], [2] (аналоги) и [3] (прототип), включающий выполнение в компрессорной секции двигателя тактов всасывания и сжатия свежего заряда, перемещение сжатого свежего заряда в одну из нескольких камер сгорания, в которой осуществляют сжигание свежего заряда в замкнутом неизменном объёме и из которой перепускают продукты сгорания в расширительную секцию с преобразованием тепловой работы расширившихся продуктов сгорания во вращение рабочего вала с последующим выпуском отработавших газов из расширительной секции.
Недостатками известного способа работы теплового двигателя являются недостаточно высокое качество организации рабочего процесса, где главной причиной является дефицит времени, отведённого для зажигания и горения свежего заряда, которое длится не более четверти оборота вала двигателя, а также большие теплопотери, обусловленные контактом горящего заряда со значительной площадью корпуса, не имеющего теплоизоляционного слоя. Эти факторы ведут к снижению КПД и к выбросу в атмосферу продуктов не до конца сгоревшего топлива, что ведёт к загрязнению окружающей среды.
Для устранения этих недостатков в способ работы двигателя введено управляющее устройство, которое позволяет конструктору двигателей осознанно, согласно рекомендациям теории ДВС, закладывать в проектируемый двигатель наиболее рациональные параметры рабочего процесса по их длительности и другим качественным показателям. При этом протекание рабочего процесса выполняется отдельно от силовых блоков, выполняющих сжатие свежего заряда и расширение продуктов сгорания.
В предложенном способе работы теплового двигателя положительный результат достигается тем, что процесс работы теплового двигателя осуществляется единым управляющим устройством, содержащим блок теплоизолированных камер сгорания, заключённый в обойму на корпусе расширительной секции и кинематически связанный с валом двигателя.
Техническим результатом является повышение КПД двигателя и снижение токсичности продуктов сгорания за счет увеличения полноты сгорания заряда.
Технические проблемы решаются и технический результат достигается тем, что при реализации способа работы теплового двигателя с разделенным циклом, включающего выполнение в компрессорной секции двигателя тактов всасывания и сжатия свежего заряда, перемещение сжатого свежего заряда в одну из нескольких теплоизолированных камер сгорания, в которой осуществляют сжигание свежего заряда в замкнутом неизменном объеме и из которой перепускают продукты сгорания в расширительную секцию с преобразованием тепловой работы расширившихся продуктов сгорания во вращение рабочего вала с последующим выпуском отработавших газов из расширительной секции, согласно изобретению, свежий заряд направляют поочередно в камеры сгорания при помощи распределительного устройства, выполненного в виде единого управляющего устройства, и перепускают из камер сгорания продукты сгорания при помощи того же распределительного устройства, компрессорная и расширительная секции выполнены в виде агрегатов с раздельными корпусами, собираемых в единую силовую установку, а камеры сгорания выполнены с возможностью прекращения их работы в зависимости от режима работы двигателя.
Технический результат достигается также тем, что рабочий объем расширительной секции может быть выполнен большим объема компрессорной секции.
Технический результат достигается также тем, что объем расширительной секции может быть выполнен с возможностью расширения в ней продуктов сгорания до величины давления окружающей среды.
Технический результат достигается также тем, что теплоизолированная камера может быть выполнена путем образования на ее внутренней поверхности слоя теплоизолирующего материала.
В части устройства технический результат достигается тем, что в роторном пластинчатом двигателе с разделенным циклом, содержащем однопластинчатую расширительную машину, связанную кинематически с валом двигателя, однопластинчатые компрессоры, и камеры сгорания, периодически и поочередно сообщаемые с компрессорами и расширительной машиной с возможностью осуществления в них поочередного процесса сгорания при постоянном объеме, при этом рабочий объем расширительной машины превышает суммарный рабочий объем компрессоров, согласно изобретению, роторы расширительной машины и компрессоров выполнены в виде единой детали, распложенной в корпусах компрессоров и машины, причем корпус расширительной машины расположен между корпусами двух однопластинчатых компрессоров, внутренние цилиндрические полости которых распложены не соосно с внутренней цилиндрической полостью расширительной машины с возможностью одновременной подачи двумя компрессорами сжатого воздуха, при этом пластины компрессоров расположены с возможностью уравновешивания пластины расширительной машины при их вращении, а камеры сгорания выполнены теплоизолированными и расположены в кинематически связанном с валом двигателя вращающемся золотнике, выполняющем функции распределения сжатого заряда, подаваемого в камеры сгорания компрессорами, а также продуктов сгорания, выпускаемых из камер сгорания в расширительную машину, при этом в корпусе золотника расположена камера факельного зажигания, выполненная с возможностью перепуска части продуктов сгорания из одной камеры в другую для воспламенения в ней сжатого заряда.
Технический результат достигается также тем, что золотник с камерами сгорания может быть связан с валом двигателя посредством редуцирующей передачи.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На Фиг.1 изображена схема продольного разреза двигателя;
На Фиг.2 - поперечный разрез схемы.
Двигатель содержит однопластинчатую секцию расширительной машины 1, связанной кинематически с валом 2 двигателя, секции однопластинчатых компрессоров 3, и камеры сгорания 4, периодически и поочередно сообщаемые с компрессорами 3 и расширительной машиной 1 с возможностью осуществления в них поочередного процесса сгорания при постоянном объеме. Рабочий объем расширительной машины 1 превышает суммарный рабочий объем компрессоров 3. Роторы расширительной машины 1 и компрессоров 3 выполнены в виде единого ротора 5, распложенного в корпусах компрессоров 3 и машины 1, причем корпус расширительной машины 1 расположен между корпусами двух однопластинчатых компрессоров 3, внутренние цилиндрические полости 6 которых расположены не соосно с внутренней цилиндрической полостью 7 расширительной машины 1 с возможностью одновременной подачи двумя компрессорами 3 сжатого воздуха. Пластины 8 компрессоров 3 расположены с возможностью уравновешивания пластины 9 расширительной машины 1 при их вращении, а камеры сгорания 4 выполнены теплоизолированными и расположены в кинематически связанном с валом 2 двигателя вращающемся золотнике 10, выполняющем функции распределения сжатого заряда, подаваемого в камеры сгорания 4 компрессорами 3, а также продуктов сгорания, выпускаемых из камер сгорания 4 в расширительную машину 1. При этом в корпусе золотника 10 расположена камера 11 факельного зажигания, выполненная с возможностью перепуска части продуктов сгорания из одной камеры 4 в другую для воспламенения в ней сжатого заряда.
Золотник 10 с камерами сгорания 4 может быть связан с валом 2 двигателя посредством редуцирующей передачи, состоящей, например, из зубчатых шестерен 12.
Поскольку любой работающий двигатель, независимо от способа его работы, должен быть динамически сбалансирован и уравновешен, то для выполнения этого условия на удлинённом роторе 5, установленном в корпусе расширительной однопластинчатой машины 1 размещено по бокам два однопластинчатых компрессора 3 с раздельными корпусами, повёрнутыми на половину оборота и с суммарной массой их пластин 8, близкой к массе пластины 9 расширительной машины 1. При этом на любом угле поворота ротора 5 пластины 8 компрессоров 3 и пластина 9 расширительной машины 1 создают равные силы, направленные в противоположных направлениях, что делает двигатель сбалансированным.
Предлагаемый способ работы теплового двигателя осуществляется следующим образом. При вращении ротора 5 сжатый свежий заряд из компрессоров 3 через трубопроводы 13 поступает в канал 14 в корпусе золотника 10 и дальше через отверстия 15 в одну из теплоизолированных изнутри слоем теплоизолирующего материала камер сгорания 4, расположенных во вращающемся управляющем устройстве (золотнике 10). При дальнейшем повороте управляющего устройства блоком шестерён 12 и валом 16 (передающим вращение золотнику 10) отверстие 15 камеры сгорания 4 подойдёт к каналу 17, через который в камеру впрыскивается топливо. Камера 4 с образовавшейся в ней топливной смесью подходит к свече зажигания 18, где воспламеняется и горит, двигаясь вдоль камеры 11 факельного зажигания и не покидает зону камеры 11, пока к ней не подойдет следующая камера 4. При этом горящий в камере 4 заряд смеси по камере 11 прорывается в подходящую к камере 11 очередную камеру 4, осуществляя в ней факельное воспламенение топливной смеси. Таким образом, свеча зажигания 18 может быть нужна только при запуске до первой вспышки топлива. Дальнейшее зажигание преимущественно осуществляется факелом при соединении камерой 11 камеры 4 с горящей смесью с камерой 4, несущей свежий заряд топливной смеси. Затем, камера 4 с полностью сгоревшей смесью подходит к каналу 19 и через него и канавку 20 в корпусе выпускает продукты сгорания в секцию расширительной машины 1, совершая рабочий ход, начинающийся, как только пластина 9 пересечет зону канала 19 и продолжающийся до тех пор, пока пластина 9 не подойдет к выпускному окну 21, где в дальнейшем произойдет выпуск отработанных газов. Прекращение работы двигателя осуществляется прекращением впрыска топлива в камеры 4 сгорания.
Поскольку блок из четырех камер 4 вращается вдвое медленнее ротора 5, то у топливной смеси есть время, близкое к времени одного оборота ротора 5, чтобы спокойно полностью сгореть в замкнутом постоянном объеме теплоизолированной камеры 4 сгорания, высвободив всю энергию полностью сгоревшего топлива, что и рекомендует теория двигателей внутреннего сгорания. Это неосуществимо в поршневых коленовальных ДВС, где сгорание топлива идет во время рабочего хода при расширяющемся объеме, что замедляет горение. И это при крайнем дефиците времени для сгорания топлива, так как рабочий ход в поршневых ДВС до открытия выпускного клапана длится всего около 110° поворота коленчатого вала. Дальше, после открытия выпускного клапана, вал крутит маховик. В предлагаемом способе работы двигателя за один оборот управляющего блока в расширительной секции выполняется четыре рабочих хода, что равноценно 4-цилиндровому поршневому ДВС.
Каждый рабочий ход в расширительной секции происходит на угле поворота ротора порядка 215°. То есть рабочий ход длится более половины оборота и происходит наложение одного рабочего хода на другой, что создает постоянный, достаточно равномерный крутящий момент без маховика.
В связи с тем, что суммарный рабочий объем двух компрессорных секций выполнен в 2-3 раза меньше рабочего объема расширительной секции, то и поступивший в расширительную секцию объем сгоревшей смеси отдает свою энергию ротору до тех пор, пока его давление не будет близко к атмосферному, то есть полностью отдаст свою энергию на полезную работу, тогда как в поршневых ДВС в выхлоп выбрасывается давление 0,2-0,3 МПа вместе с частицами не успевшего сгореть топлива.
Варьируя количеством камер сгорания и другими параметрами управляющего устройства (изменением количества работающих камер 4, изменением передаточного отношения передачи на золотник 10 во время работы двигателя), конструктор получает возможность разработать для проектируемого двигателя рабочий процесс, то есть способ работы двигателя, который в наибольшей мере обеспечит двигателю высокий КПД работы при минимальном расходе топлива и высокой чистоте отработанных газов. При этом возможно прекращение работы одной или нескольких камер сгорания, либо путем перекрытия в заданный момент камеры 11 факельного зажигания, либо прекращением подачи напряжения на свечу зажигания 18, либо иными способами, оставляя в работе одну или несколько камер, в зависимости от режима работы двигателя.
В результате, используя возможности, заложенные в управляющее устройство, получаем способ работы теплового двигателя, позволяющий создавать механически уравновешенный сбалансированный двигатель большой мощности в малом объеме, обеспечивающий высокие стандарты экологической чистоты и экономичности за счет качественного и полного сгорания топлива в теплоизолированных камерах постоянного объема с факельным зажиганием и достаточно длительным временем для сгорания, а также за счет полного использования на полезную работу высокого давления сгоревшей смеси, которая при совершении рабочего хода может расширяться вплоть до давления, близкого к давлению окружающей среды.
Источники информации
Патент RU 2606 833 C1, F02B 53/08, 14.08.2015.
Патент RU 2615 855 C2, F02B 53/08, 14.08.2015.
Патент США 904,974 Nov.24.1908 (прототип).