ШЕСТИТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
SIX-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к области автомобилестроения, и может использоваться в других отраслях промышленности, где применяются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и предназначено существенно повысить их эффективность.
Поиск аналогов технических решений выполнен по источникам патентной и технической информации России (СССР), США, Германии, Франции, Великобритании, Японии, Европейского патентного ведомства за период с 1929 по 2014 год. Выявлены оригинальные технические решения по совершенствованию ДВС.
Наиболее близким техническим решением является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания по заявке №2009123674/06, опубл. 27.12.2010, бюл. №36. Данный ДВС имеет спаренные цилиндры - основной и дополнительный, причем выходная труба основного цилиндра является одновременно входной трубой дополнительного цилиндра. Рабочий процесс этого ДВС организован таким образом: отработавшие продукты горения основного цилиндра не выпускаются в атмосферу, а поступают в дополнительный цилиндр и используются в качестве составной части рабочего тела вместе с парами воды, впрыскиваемой в дополнительный цилиндр. Впрыск воды в дополнительный цилиндр производят в конце такта сжатия в дополнительном цилиндре. В последнем реализуется четырехтактный цикл, как и в основном цилиндре за исключением того, что в основном цилиндре рабочий цикл осуществляется за счет сгорания бензино-воздушной смеси и образовавшегося при этом рабочего тела в виде продуктов горения, а в дополнительном - за счет рабочего тела, полученного как сумма продуктов горения и паров воды, впрыскиваемой в дополнительный цилиндр и испарившейся за счет высокого теплосодержания продуктов горения, поступивших из основного цилиндра. Дозирование массы впрыскиваемой воды осуществляется из расчета создания в дополнительном цилиндре давления, равного давлению в основном цилиндре при совершении в нем такта рабочего хода.
Таким образом, в известном ДВС, который является прототипом заявляемого, рабочий процесс организован с использованием дополнительного цилиндра. Несмотря на его положительные качества, в том числе: уменьшение удельного расхода горючего практически в два раза по сравнению с лучшими современными образцами ДВС; снижение токсичности продуктов горения; снижение тепловой нагрузки на двигатель; снижение шумности работы; повышение термодинамического КПД двигателя, он имеет недостаток, заключающийся в усложненной по сравнению с существующими двигателями конструкции.
Основной задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции ДВС при сохранении всех остальных качеств прототипа.
Данная задача решается изменением организации рабочего процесса в двигателе и конструктивными изменениями двигателя. Организация рабочего процесса состоит в том, что после завершения такта рабочего хода продукты горения не выпускаются в атмосферу, а претерпевают дополнительное сжатие и в зоне достижения поршнем верхней мертвой точки в камеру сгорания впрыскивают струю воды, которая за счет еще очень высокого теплосодержания продуктов горения испаряется, создавая дополнительное рабочее тело в виде парообразной воды. Суммарное рабочее тело (продукты горения и пары воды) совершают дополнительный рабочий ход и только потом последний такт - выпуск охлажденных продуктов сгорания с парами воды в атмосферу.
Рабочий процесс реализуется в шеститактном двигателе внутреннего сгорания, включающем, по меньшей мере, один цилиндр с поршнем и шатуном, скрепленным с коленчатым валом, головку блока цилиндров с газораспределительным механизмом и камерами сгорания, при этом каждая камера сгорания выполнена цилиндроконической и снабжена, по меньшей мере, одной свечой зажигания и, по меньшей мере, одной форсункой для впрыска в камеру сгорания воды, двигатель дополнительно снабжен емкостью с водой и импульсным насосом высокого давления для подачи воды через форсунку в продукты сгорания, сжатые после рабочего хода от горения бензовоздушной смеси для совершения дополнительного рабочего хода, причем свеча зажигания вмонтирована в цилиндрической части камеры сгорания, а форсунка вмонтирована в конической части камеры.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Сущность изобретения иллюстрируется чертежом.
На фиг. 1 показана схема головки блока цилиндров (ГБЦ).
Позицией 1 обозначен корпус цилиндра, позицией 2 - камера сгорания, позицией 3 - шаровой клапан, позицией 4 - входная труба, позицией 5 - выходная труба, позицией 6 - форсунка, позицией 7 - свеча зажигания, позицией 8 - поршень, позицией 9 - выемка в шаровом клапане.
Последовательность работы элементов двигателя показана на фиг. 2.
При впуске бензино-воздушной смеси полость входной трубы через выемку в шаровом клапане соединяется с полостью цилиндра, который заполняется горючей смесью при движении поршня от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), при этом выпускная труба закрыта. При обратном движении поршня (от НМТ к ВМТ) происходит такт сжатия (Сж.-1).
В момент достижения поршнем зоны ВМТ происходит зажигание горючей смеси и поршень совершает такт рабочего хода (Рх.-1) за счет горения горючей смеси. После завершения Рх.-1 поршень поднимается к ВМТ и происходит второй такт сжатия (Сж.-2). В момент достижения поршнем зоны ВМТ (завершение такта Сж.-2) происходит впрыск воды в камеру сгорания, вода испаряется, создается смесь рабочего тела (продукты горения и водяной пар), который создает второй рабочий ход поршня (Рх.-2). При этом выпускная и впускная трубы закрыты. При обратном движении поршня (к ВМТ) выпускная труба открывается и продукты горения вместе с парами воды выпускаются в атмосферу - это шестой такт рабочего цикла двигателя по данному изобретению.
Термодинамическое обоснование работоспособности такого двигателя подобно обоснованию работоспособности ДВС прототипа [9].
Температура выхлопных газов по предлагаемому техническому решению существенно ниже, чем у существующих четырехтактных двигателей, а термодинамический КПД существенно выше и может превышать 70%. Снижение температуры выхлопных газов определяется расходом теплоты продуктов горения на парообразование впрыскиваемой воды для совершения второго полноценного рабочего хода (Рх.-2). Токсичность выхлопных газов снижается за счет разбавления их парами воды примерно в два раза. Шумность работы двигателя снижается за счет существенного снижения скорости истечения выхлопных газов по сравнению с современными четырехтактными ДВС. Тепловые нагрузки на двигатель снижаются также за счет расхода тепла на парообразование воды.
Сравнение заявляемого с другими техническими решениями не выявило в них признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень»
На фиг. 3 приведена P, V - диаграмма шеститактного цикла ДВС по предлагаемому изобретению. Исходное состояние соответствует точке 0 на диаграмме. В этой точке P = 1 ат; V = Vкс (где Vкс - объем камеры сгорания). В такте «впуск» горючая смесь заполняет объем всего цилиндра Vц. На диаграмме это т. 1. Переход из состояния 0 в состояние 1 процесс изобарный (P = const). В т. 1 давление P = 1 ат; V = Vц (объем цилиндра включает объем рабочего хода цилиндра и объем камеры сгорания, т.е. Vц = Vр.х. + Vкс). Следующий такт «сжатие» (Сж-1) происходит в изотермических условиях (T = const) и система переходит в состояние, соответствующее т. 2 диаграммы (поршень достигает верхней мертвой точки). В этой точке происходит зажигание горючей смеси, давление возрастает при постоянном объеме (V = const-изохорный процесс) и система приобретает состояние, соответствующее точке 3 на диаграмме. Далее совершается такт «рабочий ход» за счет продуктов сгорания горючей смеси (Рх-1). При этом в цилиндре падает давление до некоторого остаточного, а объем, занимаемый продуктами горения, увеличивается до значения Vц. Система приобретает состояние, соответствующее точке 4 на диаграмме.
В современных четырехтактных двигателях точка 4 на диаграмме соответствует выпуску продуктов горения в атмосферу. Но согласно сформулированному нами способу организации рабочего процесса ДВС продукты горения после завершения рабочего хода (Рх.-1) не выбрасываются в атмосферу, а претерпевают дополнительное сжатие. Этот процесс описывается кривой 4-5 диаграммы (Сж.2). В т. 5 продукты горения сжимаются до объема камеры сгорания (V = Vкс) и в этот момент происходит впрыск воды, вода испаряется и за счет смешанного рабочего тела (продукты сгорания + пары воды) давление в камере сгорания повышается до уровня, необходимого для совершения полноценного рабочего хода, т.е. система принимает состояние, соответствующее т. 6 диаграммы, эквивалентное состоянию 4. Далее совершается такт второго рабочего хода (Рх.-2). По завершении Рх-2 система приходит в состояние, соответствующее т. 7 диаграммы. Здесь происходит истечение продуктов горения и паров воды, система приходит в исходное состояние.
Примечание
В описании изобретения использованы примеры ДВС с нетрадиционным газораспределительным механизмом (ДВС по патенту РФ №2333368 от 10.09.2008, в котором вместо тарельчатых клапанов использованы шаровые клапана). Однако предлагаемая организация рабочего процесса ДВС в равной мере применима для любого газораспределительного механизма, в том числе традиционного, используемого в современных ДВС.
Источники информации
1. Патент США №1719116 МПК F01L 7/10 от 2.07.1929.
2. Патент США №4513568 от 30.04.1985.
3. Патент США №4809511 от 7.03.1989.
4. Патент РФ №2333368 от 10.09.2008.
5. Двигатели внутреннего сгорания. В 3 кн. Кн. 1. Теория рабочих процессов: Учебник для вузов/под ред. В.Н. Луканина, - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 2005.
6. Большая российская энциклопедия. Т. 8, М.: 2008.
7. Техническая термодинамика. Под ред. В.И. Крутова. М.: Высшая школа, 1991.
8. Блинов М.В., Блинов В.И. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Заявка №2009123674/06, публ. 27.12.2010, бюл. №36.
9. Блинов В.И., Блинов М.В. Организация технической системы с использованием энергии отработавших газов. Сб. научных трудов МАДИ. М., 2011.