ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО НАГРЕВАНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА

Полезная модель относится к области двигателестроения.
Известные двигатели внутреннего сгорания, содержат корпус, состоящий из блока цилиндров, головки блока цилиндров и поддона, кривошипно-шатунный механизм, представляющий коленчатый вал с закрепленными к нему на подшипниках шатунов, к которым на подшипниках крепятся поршни, распределительный механизм клапанов с клапанами, систему подачи топлива, систему смазки трущихся поверхностей, систему охлаждения цилиндров и маховик. При этом двухтактный двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит компрессор продувки цилиндров, имеющих для этого окна. (См. "Двигатели внутреннего сгорания" авт. А.С.Орлин, изд-во М. «Машиностроение» 1980 г., стр.24…27, а также "Физика", справочные материалы, авт. О.Ф.Кабардин, стр.110).
Основным недостатком известных четырехтактных, а также двухтактных двигателей внутреннего сгорания является то, что в них для нагревания рабочего тела используется горючее топливо, которое при горении отбирает из атмосферы кислород, а затем в виде вредных для человека газов сбрасывается в окружающую среду. При этом применение в двигателях топлива ведет к материальным затратам.
Технические результаты заявленной полезной модели направлены на создание двигателя внутреннего нагревания рабочего тела, который будет эффективным, в котором будет исключено применение топлива, в котором для нагревания рабочего тела (воздуха) будет применяться электрическое нагревательное устройство, питающееся от внешнего источника электрической энергии - аккумулятора, в котором будет применяться свойство тепловой инерционности тел, позволяющее направить работу от этого тепла на зарядку аккумуляторов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что двигатель внутреннего нагревания рабочего тела - это может быть как четырехтактный двигатель, так и двухтактный двигатель, содержащий картер, хотя бы один цилиндр; головку (крышку) цилиндров; коленчатый вал с установленным на нем маховиком; поршни с установленными в канавки компрессионными и маслосъемными кольцами; шатуны, связывающие поршни с коленчатым валом; газораспределительный механизм с клапанами; систему смазки трущихся поверхностей с масляным насосом; систему охлаждения цилиндров с водяным насосом, радиатором и вентилятором; электрический генератор; аккумулятор и компрессор продувки цилиндров через окна, сделанные в цилиндрах, которым снабжен двухтактный двигатель, отличается тем, что двигатель внутреннего нагревания рабочего тела как четырехтактный, так и двухтактный снабжается дополнительно нагревательными элементами электрическими, проводниками тока, датчиком положения коленчатого вала, электронным блоком регулирования прерывания тока, электроизоляционными втулками и проводами, при этом в объемы камер нагревания двигателя внутреннего нагревания рабочего тела крепятся к головкам цилиндров через жаропрочных электроизоляционные проставки нагревательные элементы электрические, у которых два соединительных конца электрической цепи соединены с двумя проводниками тока, выходящими наружу головки цилиндров через герметичные электроизоляционные втулки, которые закреплены на головке цилиндров, например, по оси вращения соответствующего цилиндра, при этом проводники тока соединены проводами с электронным блоком регулирования прерывания тока, который связан проводами с аккумулятором и с датчиком положения коленчатого вала, установленным на картере, при этом генератор электрического тока, связанный механической передачей с коленчатым валом двигателя, используется при работе двигателя внутреннего нагревания рабочего тела для зарядки аккумуляторов,
Технические результаты, которые достигаются при использовании заявленной полезной модели на двигатель внутреннего нагревания рабочего тела - это может быть как четырехтактный двигатель, так и двухтактный двигатель, позволяют на практике использовать чистый для экологии двигатель, применяя в нем для нагревания рабочего тела электрические нагреватели, исключающие материальные затраты на топливо, и использовать свойства тепловой инерционности нагретых тел, с целью увеличения работы и времени зарядки аккумуляторов и повышения эффективности двигателя.
Сущность полезной модели поясняется с помощью чертежей. На чертеже, фиг.1 изображен разрез с местными разрезами двигателя внутреннего нагревания рабочего тела, в котором системы газораспределения, смазки и охлаждения условно не показаны. На чертеже, фиг.2 изображена T-s диаграмма цикла двигателя внутреннего нагревания рабочего тела, где Т - температура, s - энтропия, р - изобары давления.
Двигатель внутреннего нагревания рабочего тела, далее двигатель внутреннего нагревания, представляет незамкнутую механическую систему, у которого механическое равновесие находится в неустойчивом состоянии (см. фиг.1). Картер 1 (корпус) двигателя внутреннего нагревания сделан в виде вытянутого короба из металла. Картер 1 имеет разъемы, а также опоры для установки его на раму. В нижней части картера 1, по оси, продольной картеру, сделаны по плоскости разъема картера разъемные корпусы подшипников коленчатого вала 2. Коленчатый вал 3 делается из прочного металла, а на его щеках сделаны противовесы. В теле коленчатого вала 3 для подачи масла к трущимся поверхностям сделаны каналы, входящие в систему смазки (на чертеже система смазки не указана). На один конец коленчатого вала устанавливается маховик 4. Коленчатый вал 3 через подшипники устанавливается и крепится коренными шейками в разъемные корпусы подшипников коленчатого вала 2, половины которых расположены в нижней и верхней частях картера. К кривошипам коленчатого вала, на шейки шатунов крепятся с помощью разъемных корпусов подшипников шатуны 5. Одинаковые шатуны 5 сделаны из прочного металла, а по длине равны не менее двух радиусов кривошипа коленчатого вала. Шатуны 5 вторым концом соединяются с помощью шарнирного соединения с поршнями 6. Одинаковые поршни 6 сделаны из легкого и прочного металла. Рабочая, фронтальная поверхность поршней 6 полируется, с целью увеличения ее отражательной способности. На боковой поверхности поршней 6, по условной плоскости параллельной поверхности днищ поршней сделаны прямоугольные канавки. В эти канавки вставлены маслосъемные 7 и компрессионные 8 кольца. Поршни 6, соединенные с шатунами 5, вместе с маслосъемными и компрессионными кольцами 8 вставлены в цилиндры 9. Диаметр одинаковых и равных цилиндров 9 сделан на минимальную величину больше диаметра поршней 6. Цилиндры 9 по длине равны не менее двух радиусов кривошипа коленчатого вала. Рабочая, внутренняя поверхность цилиндров 9 полируется. Все цилиндры расположены в объеме разъемного картера 1 и закреплены в нем. Объемы полостей между цилиндрами и стенками картера, входящие в систему охлаждения (на чертеже система охлаждения не указана), заполнены охлаждающей жидкостью. Сверху цилиндры 9 закрываются через огнеупорные прокладки, в которых сделаны соответствующие отверстия, головками (крышками) цилиндров 10. В результате перед поршнями 6 закрытые объемы в цилиндрах 9 образуют замкнутые рабочие полости двигателя. Минимальный объем в цилиндре, когда поршень поднят до конца, представляет камеру нагревания. Верхние крышки цилиндров 10 делаются из легкого и жаропрочного металла. Рабочие поверхности у крышек цилиндров, которые направлены в объем цилиндра 9, полируется, с целью увеличения их отражательной способности. Также в верхних крышках цилиндров 10, в площади расположения цилиндров сделаны для каждого цилиндра по два седла клапанов. В эти седла для каждого цилиндра установлены по одному клапану впуска 11 и клапану выпуска 12, которые входят в систему газораспределения (на чертеже система газораспределения не указана). При этом в верхних крышках цилиндров 10, например, по оси вращения соответствующего цилиндра сделаны сквозные отверстия. В эти отверстия устанавливаются герметичные электроизоляционные втулки 13, в которых расположены не соприкасающиеся между собой два проводника тока. Электроизоляционные втулки 13 сделаны из жаропрочного материала. На рабочие поверхности головок цилиндров 10 крепятся с помощью жаропрочных и электроизоляционных проставок нагревательные элементы 14 электрические открытого типа. Нагревательные элементы 14 сделаны, например, в виде растянутой пружины из не окисляемого в воздухе металла. Два соединительных конца электрической цепи нагревательных элементов соединены в соответствии с двумя проводниками тока. Проводники тока соединены проводами с электронным блоком регулирования прерывания тока 15, дальше - это блок прерывания тока 15. Блок прерывания тока 15 связан проводами с аккумулятором 16 и с датчиком положения коленчатого вала 17. Датчик положения коленчатого вала 17 установлен на картере 1, например, напротив маховика 4. Электронный блок регулирования прерывания тока 15 задает начало включения и отключения подачи тока от аккумулятора 16 на нагревательные элементы 14 того или иного цилиндра. Также с помощью его задается время подачи тока на нагревательный элемент 14. Провода электрической цепи, без сомнения, имеют электроизоляционное покрытие. Также к картеру 1 крепится генератор электрического тока (на чертеже не указан), который соединяется ременной передачей, например, со свободным концом коленчатого вала 3 с помощью шкивов, а при работе двигателя внутреннего нагревания заряжает аккумулятор 16. Двигатель внутреннего нагревания снабжается стартером, приборами наблюдения за работой двигателя и, как минимум, двумя аккумуляторами 16, которые будут попеременно заражаться от генератора.
1
2
1
2
2
П
J
П
J
П
П
П
П
J
J
Работа двигателя внутреннего нагревания осуществляется следующим образом. На чертеже фиг.1 изображен двухцилиндровый двигатель внутреннего нагревания рабочего тела, который представляет незамкнутую механическую систему, у которой механическое равновесие находится в состоянии неустойчивого равновесия (один из поршней поднят до конца и находится в ВМТ). Чтобы данный двигатель перешел из механического равновесия в состояние неустойчивого равновесия на его поршни 6 необходимо постоянно сообщать некоторое количество энергичной силы, - это или механические толчки любого типа, или подача любого сжатого газа (пара), или нагрев сжатого поршнями газа (пара), который после любого способа нагрева этого газа (пара) увеличивает внутреннюю энергию силы давления. Соответственно эти действия будут представлять перевод данного двигателя в вынужденное состояние неустойчивого равновесия, в котором поршни совершают рабочий ход. В предлагаемом двигателе внутреннего нагревания используется метод нагревания рабочего тала. В двигателе внутреннего нагревания от аккумулятора 16 запускается стартер, который вращает с расчетной скоростью в рабочем направлении вошедший с ним в зацепление маховик 4 двигателя. Маховик 4 передает крутящий момент на коленчатый вал 3. Кривошипы вращающегося коленчатого вала с помощью шатунов 5 приводят в движение поршни 6, которые перемещаются в цилиндрах возвратно-поступательно. То есть поршни 6 при вращении коленчатого вала 3 двигаются вдоль оси цилиндров поступательно от нижней мертвой точки (НМТ) до верхней мертвой точки (ВМТ), и наоборот. Значит, в предлагаемом двигателе внутреннего нагревания (ДВН) рабочий цикл подобен рабочим циклам известных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Поэтому после получения рабочего хода в одном из цилиндров двигатель запускается и будет работать, а стартер выходит из зацепления и отключается. Пусть при стационарной работе двигателя внутреннего нагревания в первом цилиндре 9 идет первый такт - происходит всасывание воздуха - рабочего тела из окружающей среды, а во втором цилиндре идет четвертый такт - выход горячего воздуха. При этом в первом цилиндре 9 открывается клапан впуска 11, во втором открывается клапан выпуска 12. Поэтому поршни 6 в первом цилиндре 9 движутся от ВМТ к НМТ, а во втором цилиндре от НМТ к ВМТ. При подходе поршней к конечным положениям открытые клапаны в первом и во втором цилиндрах закрываются. Соответственно воздух в первом цилиндре будет находиться при температуре и давлении окружающей среды. На диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха определяется в точке (1). Когда поршень 6 в первом цилиндре проходит НМТ, а во втором цилиндре поршень проходит ВМТ, только во втором цилиндре открывается клапан впуска 11. Поэтому при закрытых клапанах в первом цилиндре 9 вошедший воздух в результате перемещения поршня от НМТ к ВМТ начинает сжиматься в объеме цилиндра. Значит, в первом цилиндре идет второй такт - сжатие воздуха, а во втором идет первый такт - всасывание. При сжатии воздух в первом цилиндре 9 начинает нагреваться. Сжимаемый воздух получает тепло еще и от нагретой поверхности (стенок) цилиндра, и дополнительно разогревается. Поверхности цилиндра получают тепло от предыдущих циклов. В результате при подходе поршня 6 в первом цилиндре к ВМГ воздух будет сжат до давления, которое зависит от принятой для двигателя степени сжатия ε=V/V, где - V и V объемы в начале и конце сжатия воздуха в цилиндрах. На диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха, с учетом тепла, полученного при теплообмене, определяется в точке (2). При дальнейшем вращении коленчатого вала 3 поршень 6 в первом цилиндре максимально приближается к ВМГ, и поэтому вступает в теплообмен с рабочей поверхностью головки цилиндров 10, которая сохранила тепло от предыдущих циклов. Сжатый воздух получает тепло и дополнительно разогревается. Соответственно давление сжатого воздуха в объеме цилиндра 9 дополнительно повышается. На диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха, с учетом тепла, полученного при теплообмене, определяется в точке (2′). В первом цилиндре при сжатии воздуха с подводом тепла прошел второй такт и идет третий такт - это рабочий ход поршня после нагревания воздуха. При этом датчик положения коленчатого вала 17 обозначает, что первый цилиндр находится около положения ВМГ, поэтому он дает сигнал на электронный блок регулирования прерывания тока 15. Электронный блок регулирования прерывания тока 15 соединяет нагревательный элемент 14 первого цилиндра с аккумулятором 16, и электрической ток большой силы тут же нагревает нить нагревательного элемента до свечения. Тепловой и световой потоки отражаются от отражающих рабочих поверхностей головки цилиндров 10 и поршня. В результате сжатый до минимального объема воздух быстро и сильно нагревается в объеме камеры нагревания (V). Соответственно давление воздуха в цилиндре, в объеме камеры нагревания значительно повышается. На диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха, с учетом тепла, полученного при нагревании от нагревательного элемента 14, определяется в точке (3). А так как головка цилиндров 10 находится на минимальном расстоянии от нагревательного элемента 14, то она быстро нагревается и аккумулирует часть выделившегося тепла. При этом коленчатый вал за счет кинетической энергии вращения маховика 4 проходит положение ВМГ, и электронный блок регулирования прерывания тока 15 отключает аккумулятор 16 от нагревательного элемента. В это время остаточное тепло от нагревательного элемента 14 и часть тепла, аккумулированного головкой (крышкой) цилиндра 10, возвращаются начавшему охлаждаться при расширении сжатому воздуху. А это увеличивает эффективность двигателя внутреннего нагревания. То есть коэффициент использования тепла (КИТ), известный как (КПД), в предлагаемом двигателе повышается. Соответственно на диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха, с учетом тепла, полученного при теплообмене от тел, аккумулировавших тепло нагревания, определяется в точке (3′). Дальнейшее движение поршня 6 в цилиндре 9 отдаляет воздух от нагретых тел. При этом нагревшийся и находящийся при соответствующем давлением в объеме камеры нагревания сжатый воздух давит на стенки цилиндра и на дно подвижного поршня. В результате в цилиндре 9, по ее оси возникает в направлении от ВМГ к НМТ деятельная сила давления поршня F=p·S, где p - давление нагретого воздуха в данный момент времени, S - площадь дна поршня. Деятельная сила давления поршня F перемещает поршень 6 в цилиндре 9, то есть совершает работу, действие, известное как рабочий ход. Действие деятельной силы давления поршня через шатун 5 передается на кривошип коленчатого вала 3. То есть деятельная сила давления поршня одновременно с действием создает вращающий момент М=F·L, где L - длина плеча кривошипа от центра вращения, на которое действует деятельная сила давления поршня в данный момент времени. А когда поршень 6 в первом цилиндре подходит к НМТ, открывается клапан выпуска 12 и действие деятельной силы давления поршня прекращается. Остаточное давление воздуха сбрасывается в окружающую среду. На диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха определяется в точке (4). В первом цилиндре прошел третий такт - нагревание воздуха и рабочий ход поршня. Соответственно во втором цилиндре прошел второй такт - сжатие воздуха с нагревом при теплообмене. При этом коленчатый вал за счет кинетической энергии вращения маховика 4 проходит положение НМТ и с помощью кривошипа и шатуна 5 перемещает поршень 6 в первом цилиндре 9 от НМТ к ВМТ. Воздух с остаточной температурой нагрева выходит через открытый клапан выпуска 12 на охлаждение в окружающую среду. На диаграмме цикла (см. чертеж, фиг.2) состояние воздуха, с учетом охлаждения воздуха в окружающей среде, определяется в точке (1). В результате в первом цилиндре прошел четвертый такт - выпуск нагретого воздуха, а во втором цилиндре прошел третий такт - рабочий ход поршня. Такты повторяются, и двигатель работает. Число оборотов двигателя внутреннего нагревания регулируется с помощью электронного блока регулируемого прерывания тока 15 способом увеличения или уменьшения времени включения нагревательных элементов 14. Необходимо отметить, что, когда поршень, например, в первом цилиндре при такте сжатия приближается к положению ВМТ, сжатый до такого состояния воздух нагревается за счет работы сжатия и окружающего тепла. Одновременно сжатый и нагретый воздух дополнительно нагревается, получая часть тепла, в виде избыточной температуры, от головки цилиндров 10. Все это тепло представляет накопленное тепло сжатия предыдущих циклов и тепло нижнего уровня от нагревательного элемента. Значит, на нагревательный элемент 14 для последующего нагревания уже нагретого сжатого воздуха можно подать меньше электрического тока от аккумулятора 16. Поэтому можно увеличить ток зарядки или время зарядки второго аккумулятора от электрического генератора (на чертеже не указан), а это приближает работу двигателя к автономной работе.