ГОФРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ГДВС)
CRIMPED ICE

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, и может быть использовано на транспортных средствах, а также в качестве привода стационарных энергетических установок.
Известны двигатели внутреннего сгорания классической конструкции (классика): цилиндропоршневая рабочая камера, кривошипно-шатунный механизм, клапаны впрыска топлива и выхлопа газов, системы зажигания и охлаждения (SU №1463943, RU №104634 и др.).
Недостатками таких двигателей являются необходимость принудительного охлаждения цилиндра стенок рабочей камеры ДВС как тепловой машины, большие потери на трение поршней, что приводит к снижению коэффициента полезного действия (кпд).
Известны двигатели внутреннего сгорания (двигатели со стенками рабочих камер или камер сгорания, упругодеформируемыми под давлением газов), содержащие камеру сгорания в виде сильфона с гофрированной стенкой и с поршнем, связанным шатуном с коленчатым валом, и подключенную к камере сгорания коробку клапанов впуска-выхлопа и зажигания (DE 3 202011107909, US №6390049, GB №1211298).
Недостатками такого двигателя являются сложность конструкции камеры сгорания и связи шатуна с коленчатым валом, возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, низкий кпд.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну камеру сгорания в виде жаропрочного сильфона с гофрированной стенкой и с поршнем, связанным шатуном с коленчатым валом, размещенным в картере, и подключенную к камере сгорания коробку клапанов впуска-выхлопа и зажигания (US №5222466, прототип).
Недостатками такого двигателя являются сложность герметизации поршня и связи шатуна с коленчатым валом, возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, низкий кпд.
Технической задачей изобретения является создание эффективного гофрового двигателя внутреннего сгорания и расширение арсенала двигателей внутреннего сгорания.
Технический результат, обеспечивающий решение поставленной задачи, состоит в том, что обеспечена герметизация поршня, упрощена кинематическая связь шатуна с коленчатым валом, отсутствуют трущиеся части, исключено возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, обеспечена работа при высокой температуре продуктов сгорания, увеличен кпд.
Сущность изобретения состоит в том, что двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну камеру сгорания в виде жаропрочного сильфона с гофрированной стенкой и с поршнем, связанным шатуном с коленчатым валом, размещенным в картере, и подключенные к камере сгорания коробку клапанов впуска-выхлопа и зажигания, отличающийся тем, что жаропрочный сильфон снабжен теплозащитной рубашкой с теплоизолирующим покрытием и с теплоизолирующим поддоном, имеющим отверстие для кинематической связи поршня с коленчатым валом, а гофрированная стенка сильфона соединена с одной стороны с упомянутой коробкой клапанов, а с другой соединена заодно с поршнем, выполненным в виде стакана, обращенного дном в камеру сгорания.
В частных случаях исполнения сильфон выполнен с одинаковыми гофрами по всей длине, поршень, связан с шатуном посредством дополнительно установленного штока, шарнирно соединенного с ползуном, установленным в картере в направляющих поступательного перемещения, закрепленных к поддону. При этом шток поршня снабжен установленными в отверстии выполненного герметичным поддона герметизирующими кольцевыми маслосъемными уплотнителями.
В других частных случаях исполнения сильфон выполнен составным из двух последовательно соединенных между собой участков с неодинаковыми по диаметру и высоте гофрами, при этом гофрированная стенка одного участка сильфона соединена с упомянутой коробкой клапанов, а другого участка - с поршнем. При этом участок, гофрированная стенка которого соединена с упомянутой коробкой клапанов, выполнен с возможностью изгиба, а поршень непосредственно связан с шатуном.
На  фиг. 1 представлена схема гофрового ДВС - в одном варианте реализации; на фиг. 2 - схема гофрового ДВС - в другом варианте реализации (с сильфоном из двух участков).
Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере одну камеру сгорания в виде жаропрочного сильфона 1 с гофрированной стенкой (рабочий гофр) и с поршнем 4, связанным шатуном 5 с коленчатым валом 12, размещенным в картере 11, и подключенную к внутреннему объему сильфона 1 коробку 13 клапанов впуска-выхлопа и зажигания.
Сильфон (от англ. фирменного названия Sylphon) - упругая однослойная или многослойная гофрированная оболочка из металлических, неметаллических и композиционных материалов, сохраняющая прочность и плотность при многоцикловых деформациях сжатия, растяжения, изгиба и их комбинаций под воздействием внутреннего или внешнего давления, температуры и механических нагружений. Конструкция сильфона 1 состоит из подвижной гофрированной и двух присоединительных частей для крепления (стенки)
Жаропрочный сильфон 1 снабжен теплозащитной рубашкой (жаровая камера) 2 с теплоизолирующим покрытием 3 и с теплоизолированным поддоном 16, имеющим отверстие (прорезь) 10 (обозначено на фиг. 2) для кинематической связи поршня 4 с коленчатым валом 12. Гофрированная стенка сильфона 1 соединена с одной стороны с упомянутой коробкой 13 клапанов, а с другой соединена заодно с поршнем 4, выполненным в виде стакана, обращенного дном внутрь сильфона 1. Жаропрочный сильфон 1 может быть выполнен из стали 12X18H10 (AISI 321).
В двигателе в исполнении по фиг. 1 сильфон 1 выполнен с одинаковыми гофрами по всей длине, поршень 4 связан с шатуном 5 посредством штока 7, шарнирно соединенного с ползуном 9, установленным в картере в направляющих (полозьях) поступательного перемещения (не обозначены), закрепленных к поддону 16. При этом шток 7 поршня 4 снабжен установленными в отверстии (на фиг. 1 не обозначено) выполненного герметичным поддона 16 герметизирующими кольцевыми маслосъемными уплотнителями (кольцами) 8.
В двигателе в исполнении по фиг. 2 жаропрочный сильфон 1 выполнен составным из двух последовательно соединенных между собой участков с неодинаковыми по диаметру и высоте гофрами - рабочий участок сильфона 1 и участок 6 изгиба. Гофр участка 6 изгиба выполнен податливым в радиальном, т.е. в поперечном  направлении, и служит только для обеспечения эволюции рабочего участка гофра сильфона 1 с шатуном 5, изгибаясь влево или вправо при каждом обороте вала 12. Изгиб или поворот гофр на участке 6 происходит таким образом, что плоскость гофр на участке 6 не является перпендикулярной оси сильфона 1. Это обусловлено относительно меньшим отношением длины к диаметру при большой высоте каждого гофра участка 6. Основной рабочий участок сильфона 1 сжимается и разжимается только в своем осевом направлении, обеспечивая внутри себя термодинамический рабочий процесс. При этом гофрированная стенка участка 6 сильфона соединена с упомянутой коробкой 13 клапанов, а стенка рабочего участка сильфона 1 - с поршнем 4.
При этом участок 6 (гофр участка изгиба), гофрированная стенка которого соединена с упомянутой коробкой 13 клапанов, выполнен с возможностью изгиба при повороте шатуна 5, а поршень 4 непосредственно связан с шатуном 5.
Гофровый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
ДВС работает так же как и классический цилиндропоршневой ДВС. Функцию рабочей цилиндропоршневой камеры в предлагаемом двигателе выполняет герметичный, упругий, жаропрочный сильфон 1, сохраняющий прочность и плотность при многоцикловых режимах сжатия и растяжения.
Гофровый ДВС может работать как четырехтактный (или двухтактный) двигатель, где за два полных оборота коленвала совершается полный цикл из четырех тактов:
1-й такт - рабочий такт - детонация сжатой топливно-воздушной смеси в сильфоне 1, сопровождающийся работой расширения горящего газа и сильфона 1;
2-й такт вытеснения и выхлопа путем сжатия сильфона 1 отработавших газов; 3-й такт всасывания в сильфон 1 новой порции рабочей смеси путем открытия в коробке 13 клапанов впуска и расширения сильфона 1; 4-й такт сжатия рабочей смеси путем ее сжатия в сжимающемся сильфоне 1 при закрытых клапанах выхлопа и впуска в коробке 13.
В процессе работы двигателя неохлаждаемой гофровой рабочей камере сильфона 1 к моменту детонации сжатая топливно-воздушная смесь (ТВС) находится при более высокой температуре (400-500°C) и давлении, чем то же самое в охлаждаемом цилиндропоршневом ДВС - классика (100°C) двигателей аналогов. Это значит, что для достижения той же рабочей температуры и давления после детонации для гофрового двигателя потребуется меньше топлива, т.е. менее обогащенное топливом ТВС, чем известных ДВС - классика. Эта выполнение камеры сгорания с сильфоном 1 избавляет конструкцию от необходимости смазки движущихся поверхностей камеры сгорания.
Это отсутствие смазки, в свою очередь, позволяет в новой конструкции осуществлять рабочий термодинамический такт при гораздо более высоких температурах цилиндра (400-500°C), чем это позволительно в аналогах - ДВС - классике (100°C).
Этот высокотемпературный рабочий такт, в свою очередь, означает о существенно более высоком кпд гофрового ДВС.
В случае реализации предпочтительной схемы по фиг. 1, теплозащитная рубашка 2 герметично изолирована от картера 11 теплоизолирующим поддоном 16. Цилиндрический шток 7, выполненный заодно с поршнем 4 сильфона 1, проходит к шатуну 5 через герметичные кольцевые маслосъемные уплотнители 8. Шток 7 двигает шатун 5 в направляющих полозьях (не обозначены) ползуна 9, находящихся в картере 11.
Направляющие полозья ползуна 9 выполнены фрикционным или в реечном шарикоподшипниковом исполнении.
Сильфон 1 занимает то же место и положение что и цилиндропоршневая пара в классических аналогах с жесткой цилиндрической камерой сгорания. Верхний торец сильфона 1 неподвижно и герметично вмонтирован в верхней части корпуса двигателя. Схема фиг. 1 не допускает осевой неустойчивости сильфона 1.
В случае реализации схемы фиг. 2, поршень 4 и сильфон 1 с шатуном 5 на коленчатом валу 12 совершают двумерные циклические движения и находятся в теплоизолированной теплозащитной рубашке 2. Теплозащитная рубашка 2 не герметична. В ней имеется отверстие (прорезь) 10, в котором совершает циклические движения шатун 5. Во избежание попадания высоких температур в картер 11 отверстие (прорезь) 10 принудительно продувается воздухом. В верхней неподвижной части сильфона 1 имеется участок 6 изгиба, который решает задачу компенсации несоосности. Он работает только на изгиб. При изгибе наружная часть гофр участка 6 изгиба растягивается, а внутренняя - сжимается. Чем выше профиль гофр участка 6 и меньше расстояние между гофрами, тем выше степень его гибкости. Уменьшение толщины стенки также ведет к увеличению гибкости. Благодаря изгибу участка 6 основной рабочий участок сильфона 1 работает без изгиба только на растяжение и сжатие, также не допуская осевой неустойчивости. Сильфон 1 и шатун 5 жестко соединены посредством поршня (стакана) 4. Он заполняет лишний объем сильфона 1.
Таким образом, предлагаемая конструкция не нуждается в смазке и в принудительном жидкостном охлаждении цилиндра. Вместо герметичной рубашки жидкостного охлаждения цилиндра в предлагаемой конструкции имеется негерметичная теплодержащая теплозащитная рубашка 2 для утепления гофр сильфона 1. При этом обеспечена полная герметизация поршня, упрощена кинематическая связь шатуна с коленчатым валом, исключено возникновение односторонних боковых нагрузок на поршне, увеличен кпд. Рабочий такт происходит при существенно высоких температурах, чем в известных аналогах. При этом чем выше температура рабочего термодинамического процесса, тем выше процент преобразования тепловой энергии в механическую, что также направлено на повышение кпд.