КОМБИНИРОВАННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Предложение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано для более полного преобразования энергии сжигаемого топлива в механическую работу.
Известны комбинированные двигатели, включающие поршневой ДВС и утилизационный двигатель.
Двигатель внутреннего сгорания (Руднев В.В., Хасанова М.Л. двигатель внутреннего сгорания: Патент на полезную модель. RU 89179 U1 F02G 5/02. 27.11.2009. Бюл. №33), который содержит: картер с размещенным в нем кривошипно-шатунным механизмом, цилиндр, поршень, головку цилиндра с впускным коллектором, впускным и выпускным клапанами, форсунку для топлива, перепускным клапаном с охладителями воздуха и ресиверами низкого и высокого давления.
Недостатком этого двигателя являются значительные потери теплоты при ступенчатом сжатии воздуха из-за применения двух ресиверов и одного рабочего объема, что снижает индикаторный КПД.
Известен также двухтактный двигатель внутреннего сгорания с разделенными процессами сжатия и расширения. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания: (Патент RU 2136920, 6 F02В 41/04. Опубл. 10.09.99. Бюл. №25), содержащий два цилиндра, оборудованные клапанами, с поршнями, которые приводятся в действие от общего коленчатого вала, и ресивер. Тыльная сторона поршня при его движении вниз в одном из цилиндров обеспечивает сжатие воздуха и нагнетание его в ресивер. Из ресивера сжатый воздух поступает в два цилиндра, где осуществляется сгорание подаваемого в них топлива, и расширение продуктов сгорания практически до атмосферного давления за счет объема расширения в два раза большего объема сжатия.
Недостатками этого двигателя является расходование части энергии, произведенной при расширении, на сжатие воздуха.
Известен также комбинированный двигатель. Комбинированный двигатель. (Патент на полезную модель. RU 87468 U1 F02G 5/02. 10.10.2009. Бюл. №28), состоящий из картера, крейцкопфного кривошипно-шатунного механизма, цилиндра с перемещающимся в нем поршнем, снабженный впускными и выпускными клапанами, форсункой, оборудованной электромагнитным клапаном, имеющий полость над поршнем, соединенную коллектором с полостью под поршнем, которые соединены через охладитель и тепловой аккумулятор впускными и выпускными клапанами охладителя и теплового аккумулятора, а нижняя полость с ресивером через электромагнитный клапан.
Недостатком этой конструкции являются высокая токсичность отработавших газов, значительные потери через стенки цилиндра, низкая энергоемкость ресивера.
Данная конструкция двигателя является наиболее близкой к предлагаемой по технической сущности и принята за прототип.
Задачей предложения является увеличение снижение токсичности отработавших газов, улучшение мощностных показателей.
Решение поставленной задачи достигается тем, что токсичность отработавших газов снижается в каталитическом нейтрализаторе, улучшение мощностных показателей достигается снижением потерь теплоты в стенки цилиндра для сгорания и отводом теплоты от стенок при сжатии применением отдельных, повышением энергоемкости ресивера охлаждением воздуха.
Анализ предлагаемого решения и известных, позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности полезной модели.
Предложение поясняется рисунком (фиг.1), где изображено принципиальное устройство комбинированного двигателя.
Предлагаемый комбинированный двигатель содержит: оппозитный кривошипно-шатунный механизм 1 с верхним цилиндром 2 и поршнем 3 большого диаметра и нижним цилиндром 4 и поршнем 5 меньшего диаметра. Верхний цилиндр 2 оборудован впускным клапаном 6 с впускным коллектором 7 и выпускным клапаном 8 с выпускным коллектором 9, форсункой 10 с электромагнитным клапаном 11, топливный бак 12 с насосом 13, впускным 14 и выпускным 15 клапанами охладителя 16, впускным 17 и выпускным 18 клапанами теплового аккумулятора 19 с каталитическим нейтрализатором 20, электромагнитным клапаном 21 ресивера 22 с охладителем воздуха 23.
Предлагаемый комбинированный двигатель работает следующим образом:
На установившихся режимах работа комбинированного двигателя осуществляется по четырехтактному циклу дизеля.
На режимах холостого хода комбинированный двигатель работает следующим образом.
В первый такт очередного рабочего цикла поршень 3 двигается от верхней мертвой точки к нижней, впускной клапан 6 открывается и за счет разряжения, создаваемого в надпоршневом пространстве, происходит впуск свежего заряда воздуха из атмосферы по впускному коллектору 7 в цилиндр 2 двигателя, а в нижнем цилиндре происходит сжатие воздуха поршнем 5 с последующей подачей его через электромагнитный клапан 21 и охладитель воздуха 23 в ресивер 22.
На втором такте поршень 3 начинает движение из нижней мертвой точки к верхней, с началом движения открывается впускной клапан охладителя 14, происходит сжатие воздуха в надпоршневом пространстве и подача его через охладитель 16 и выпускной клапан охладителя 15 в нижний цилиндр 4. В процессе движения поршня 3 к верхней мертвой точке, происходит закрытие впускного клапана охладителя 14 и продолжается сжатие воздуха, находящегося в верхнем цилиндре 2. В конце второго такта в нагретый за счет сжатия воздух через форсунку 10, управляемую электромагнитным клапаном 11, впрыскивается под высоким давлением топливо, подаваемое насосом 13 из бака 12, и происходит воспламенение и сгорание топлива с интенсивным тепловыделением.
На третьем такте горячие газы, расширяясь, давят на поршень 3 сверху и перемещают его вниз, совершая работу. Через кривошипно-шатунный механизм 1 эта работа может быть полезно использована. На этом же такте в нижнем цилиндре открывается электромагнитный клапан 21, происходит сжатие и подача воздуха через охладитель воздуха 23 в ресивер 22.
В последний четвертый такт рабочего цикла, когда поршень 3 перемещается к верхней мертвой точке, отработавшие газы из верхнего цилиндра 2 через выпускной клапан 8 по коллектору 9 поступают в тепловой аккумулятор 19 с каталитическим нейтрализатором 20, для нейтрализации и отдачи теплоты, затем направляются в атмосферу.
На режиме торможения двигателем рабочий цикл осуществляется также как и на режиме холостого хода, за исключением полного прекращения подачи топлива через форсунку 10 в цилиндр 2, на втором такте перекачивания всего количества воздуха из верхнего цилиндра 2 через впускной клапан охладителя 14, охладитель 16 и выпускной клапан охладителя 15 в нижний цилиндр 4 с последующим сжатием его поршнем 5 и подачей этого воздуха через электромагнитный клапан 21 для охлаждения его в охладителе воздуха 23 и накопления его в ресивере 22.
На режиме форсирования двигателя на пиковых нагрузках в отличие от режима холостого хода на втором такте рабочего цикла открывается электромагнитный клапан 21, и сжатый воздух из ресивера 22 поступая в нижний цилиндр 4, расширяясь создает давление на поршень 5, совершая полезную работу. В начале третьего такта открываются впускной 17 и выпускной 18 клапаны теплового аккумулятора 19, и воздух выталкиваемый поршнем 5 из нижнего цилиндра 4 через впускной 17 и выпускной 18 клапаны, тепловой аккумулятор 19 поступает в верхний цилиндр 2. В этот момент времени происходит увеличение давления на такте расширения путем добавления в горячие газы и смешивания с ними высоко сжатого и прогретого в тепловом аккумуляторе 19 воздуха.
На режиме пуска холодного двигателя степень сжатия увеличивается за счет закрытия впускного клапана 14 охладителя 16 на втором такте рабочего цикла и прекращения подачи сжимаемого воздуха из верхнего цилиндра 2 в нижний цилиндр 4.
Токсичность отработавших газов проходящих через каталитический нейтрализатор 20 снижается, параллельно этому температура отработавших газов повышается, что способствует увеличению температуры теплового аккумулятора 19 и повышению мощностных показателей двигателя на режиме форсирования.
Снижение температуры воздуха в охладителе воздуха 23 нагнетаемого в ресивер 22 позволяет при прежнем объеме ресивера повысить его энергоемкость, что способствует увеличению массы подаваемого воздуха на режимах форсирования двигателя на пиковых нагрузках.
Применение оппозитного кривошипно-шатунного механизма 1 позволяет выполнить объемы верхнего цилиндра 2 большим относительно нижнего цилиндра 4, что способствует улучшению индикаторных показателей.
По сравнению с прототипом в предлагаемом комбинированном двигателе снижена токсичность выбрасываемых в атмосферу отработавших газов, осуществлено повышение показателей двигателя на пиковых нагрузках увеличением среднего эффективного давления на такте расширения путем использования энергии высоко сжатого воздуха, накопленного за счет рекуперации энергии на режиме торможения и холостого хода в ресивере, и увеличения температуры теплового аккумулятора.