ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах: мотоциклах, автомобилях, самолетах, а также в качестве привода стационарных установок.
Аналогом предлагаемому двигателю является двигатель по патенту RU 2027879. Этот двигатель имеет два цилиндра, в одном происходят такты всасывания и сжатия, в другом - такты рабочий ход и выхлоп. Цилиндры соединены между собой каналом, который перекрыт клапаном.
Двигатель по патенту RU 2027879 имеет ряд недостатков ввиду сложности применения в нем функциональной схемы. По-существу вся работа двигателя базируется на использовании кривошипно-шатунного механизма преобразования возвратно-поступательных движений поршня во вращательное выходного вала. Традиционный преобразователь движений поршня вызывает большие боковые нагрузки поршней на стенки цилиндров ввиду движения кривошипа под углом к их оси. Кроме того, результирующая сила от воздействия давления газов на поршень используется не полностью для создания крутящего момента на коленвале, так как она раскладывается на две составляющие.
В газообмене между цилиндрами - нагнетателя и рабочего цилиндров - используется много каналов и функциональных клапанов, при этом установленная между ними перегородка требует строгого задания углового смещения кривошипов.
В целом ввиду сложности газообмена и конструкции двигателя не может выполняться цикл его работы и не может выполняться эффективно.
Наиболее близким по конструкции является двигатель по патенту Ru 2286470. Он содержит размещенные в блоке по меньшей мере один цилиндр нагнетателя (компрессорный) и один рабочий цилиндр, поршни, установленные в цилиндрах с образованием надпоршневых полостей, кинематически связанных с кривошипно-шатунным механизмом, головку цилиндра с перепускным каналом, выполненным с возможностью сообщения надпоршневых полостей цилиндра нагнетателя (компрессора) и рабочего цилиндра, подпружиненный перепускной клапан, установленный в головке с возможностью периодического перекрытия перепускного канала, свечу зажигания, установленную в рабочем цилиндре, причем кривошип, связанный с поршнем рабочего цилиндра, смещен относительно кривошипа, связанного с поршнем цилиндра нагнетателя (компрессора), в сторону опережения по ходу вращения коленчатого вала с образованием между кривошипами угла смещения. В компрессорном цилиндре происходят два такта - всасывание и сжатие, а в рабочем происходит два такта - рабочий ход и выхлоп.
Недостатком этого двигателя является малая экономичность и низкая эффективность работы вследствие неполной очистки цилиндров от выхлопных газов и больших температурных градиентов рабочих поверхностей цилиндров.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение экономичности за счет уменьшения затрат работы на сжатие воздуха, выполнение процесса сгорания при постоянном объеме, а процесса расширения газов при постоянной температуре, а также за счет регенерации теплоты уходящих газов путем передачи ее воздуху, направляемому в камеру сгорания.
Технический результат изобретения состоит в следующем: двигатель внутреннего сгорания, включающий компрессорный блок и блок рабочих цилиндров, картер с бесшатунным силовым преобразователем движения поршней, цилиндропоршневую группу, системы подготовки и подачи топливной смеси, всасывающие и выхлопные клапаны, системы запуска двигателя, охлаждения и смазки, причем компрессорный блок выполнен двух и более ступенчатым с установленными на каждой ступени теплообменниками, а рабочий блок выполнен из цилиндров с рабочими камерами сгорания и дополнительными камерами сгорания для подготовки топливной смеси и ее сгорания, при этом блоки соединены между собой воздуховодом через ресивер и клапан впуска и имеют жесткую кинематическую связь через силовой бесшатунный механизм преобразования движений поршней, не требующих их строгого углового позиционирования, компрессорный блок может быть выполнен двухстороннего действия за счет использования надпоршневой и подпоршневой полостей цилиндра в качестве рабочих, а рабочий блок имеет два или более цилиндра. Поршни в двухцилиндровых блоках установлены в противофазах, а при большем количестве цилиндров - на равнорасположенных углах их позиционирования. Цикл работы в четырехтактном двигателе осуществляют в двух цилиндрах: всасывание и сжатие - в компрессорном цилиндре, а сгорание - в камере сгорания, рабочий ход и выхлоп газов - непосредственно в рабочем цилиндре. Сжатый в компрессорном цилиндре воздух подают в камеры сгорания через ресивер, причем сжатие воздуха выполняют ступенчато с промежуточным его охлаждением, что приближает процесс сжатия к изотермическому, при котором затраты работы на сжатие будут наименьшими по сравнению с любыми другими процессами сжатия. Между ресивером и рабочим цилиндром двигателя расположен регенератор, предназначенный для подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания за счет теплоты уходящих газов. Процесс расширения газа в рабочем цилиндре приближается к изотермическому за счет импульсного впрыска топлива в камеры сгорания и ступенчатого расширения в рабочем цилиндре. Кинематически компрессорный и рабочий поршни связаны между собой через бесшатунный силовой преобразователь движения поршней, а газообмен между ними выполняется через ресивер и регенератор.
Сущность изобретения поясняется фиг.1, двигатель внутреннего сгорания. Двигатель состоит из двух блоков - рабочего блока 1 и блока многоступенчатого компрессора с промежуточным охлаждением 2.
Рабочий блок 1 состоит из двух цилиндров 3, в которых установлены поршни 4, закрепленные на штоках 5. В цилиндрах смонтированы впускной (нагнетательный) 6 и выпускной (выхлопной) 7 клапаны, а также форсунки 8. В головках цилиндров находятся дополнительные камеры сгорания 9, соединенные с камерами сгорания 10, образованные поршнями 4, находящимися в верхней мертвой точке и крышками цилиндров, имеющие объем, достаточный для размещения количества воздуха, требуемого для сгорания топлива.
Регенератор (теплообменник) 11 соединен с камерами сгорания цилиндров трубопроводом 12 и с ресивером-трубопроводом 13. Выхлопные газы из цилиндров выходят по трубопроводу 14, регенератору 11 и выхлопному патрубку 15. Воздух из ресивера 16 поступает в теплообменник 11 по трубопроводу 13.
Компрессорный блок 2 состоит из цилиндра 17, выполненного трехступенчатым, в каждой из которых размещены соответствующие поршни 18, смонтированные на общем штоке 19. В цилиндре первой ступени смонтированы обратный клапан впуска 20 и выпуска 21 первой ступени компрессора. Во второй ступени компрессора смонтирован обратный клапан впуска 22. Трубопровод 23 подводит воздух из теплообменника 24 во вторую ступень, при этом сам соединен трубопроводом 25 с первой ступенью компрессора. Третья ступень компрессора снабжена обратным клапаном впуска 26, а полости ступени соединены трубопроводом 27 с теплообменником 28. Третья ступень имеет также обратный клапан выпуска 29. Теплообменник 28 соединен со второй ступенью трубопроводом 30. Трубопровод 31 соединен с ресивером 16. Вторая ступень имеет обратный клапан выпуска 32.
Кинематически блок рабочих цилиндров 1 соединен с компрессорным блоком 2 через силовой бесшатунный преобразователь 33 движений поршней, который связан с выходным валом 34 отбора мощности.
В качестве силового бесшатунного механизма преобразования движений можно использовать вариант механизма по а.с. №2237175.
Двигатель работает следующим образом.
Известно, что цикл работы 4-тактного двигателя соответственно выполняется в следующей последовательности выполнения тактов - всасывание + сжатие + рабочий ход и выхлоп.
Поэтому описание работы двигателя представим в такой же последовательности, то есть с работы компрессорного блока 2, выполняющего такты всасывания и сжатия. При движении вверх штока 19 и поршня 18 происходит всасывание воздуха из атмосферы через обратный клапан впуска 20 в подпоршневую полость первой ступени, при этом в надпоршневой полости происходит сжатие атмосферного воздуха, что приводит к открытию клапана выпуска 21 первой ступени, что обеспечивает протекание воздуха по трубопроводу 25, затем по теплообменнику 24, по трубопроводу 23, и в итоге воздух нагнетается через обратный клапан впуска 22 в нижнюю полость второй ступени. В результате охлаждения воздуха теплообменником 24 его температура будет близкой к температуре воздуха при всасывании в первую ступень. Так как объем полости второй ступени меньше объема полости первой ступени, то газ будет сжат с более высоким давлением.
При движении штока 19 и поршня 18 второй ступени вверх происходит всасывание воздуха в подпоршневую полость и одновременно сжатие воздуха в надпоршневой полости, поступившего через теплообменник 24 из нижней полости первой ступени при движении поршня 18 вниз, при этом обратный клапан 20 первой ступени закрыт. При достижении определенного давления воздуха в надпоршневой полости второй ступени клапан выпуска 32 открывается и сжатый воздух поступает через трубопровод 31 в теплообменник (охладитель) 28, а из него в нижнюю полость третьей ступени компрессора.
Так как объем полости третьей ступени меньше объема полости второй ступени, то при достижении верхних точек поршнем второй и третьей ступеней газ будет сжат дополнительно до заданного значения.
После достижения в надпоршневой полости третьей ступени заданного давления открывается обратный клапан 29 и сжатый воздух по трубопроводу 31 направляется в ресивер 16.
Степень сжатия воздуха рассчитывается по соотношению объемов рабочих полостей цилиндра, а снижение температуры газа - по рабочим площадям теплообменников.
Охлаждение сжатого воздуха в теплообменниках 24, 28 может быть либо водяным, либо воздушным. Площади поверхностей теплообменников должны быть такими, чтобы процесс сжатия приближался к изотермическому.
Такты рабочий ход и выхлоп выполняются в рабочих цилиндрах 3 блока 1 после сгорания топлива с воздухом в камере сгорания 10.
Компрессор 2 нагнетает сжатый воздух в ресивер 16 под определенным давлением, соответствующим давлению, достигающему в процессе сжатия в цилиндрах бескомпрессионных двигателей. Из ресивера 16 по трубопроводу 13 воздух поступает в регенератор 11, в котором он нагревается в результате отбора тепла от выхлопных газов. По трубопроводу 12 после нагрева воздух поступает в дополнительную камеру сгорания 9. При достижении поршня 4 верхней мертвой точки заканчивается процесс выхлопа и выпускной клапан 7 закрывается, и в этот момент через форсунку 8 в дополнительную камеру сгорания 9 впрыскивается топливо. Ввиду высокой температуры воздуха происходит самовоспламенение топливной смеси. Осуществляется возгорание топливной смеси, и давление в камере сгорания резко возрастает, при этом выпускной клапан 7 закрывается. Поршень 4 под действием высокого давления движется вниз, совершая при этом рабочий ход.
Для осуществления изотермического процесса расширения газа с целью получения максимальной работы через форсунку 8 выполняется дополнительный (дозированный) впрыск топлива с таким расчетом, чтобы температура газа в процессе движения поршня от верхней мертвой точки к нижней оставалась неизменной, при этом процесс горения топливовоздушной смеси происходит в дополнительной камере сгорания 9 и камере сгорания 10.
При достижении поршнем 4 нижней мертвой точки открывается выпускной клапан 7 и начинается процесс выхлопа газов.
Таким образом, каждый блок двигателя 1 и 2 выполняет свои функции, а вместе они обеспечивают выполнение всех 4-х тактов - всасывание, сжатие, рабочий ход, выхлоп.
На фиг.1 показано два рабочих цилиндра, что обуславливает плавную работу двигателя, так как поршни в них установлены в противофазах.