ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания (RU № 2327894, F02M 29/04, опубл. 2008.06.27), который содержит емкость с топливом, которое с помощью насоса подается в цилиндр, в полости которого сжигают топливо. Внутри цилиндра расположен поршень, в пространство над поршнем периодически подается воздух, необходимый для сгорания топлива, с помощью диспергатора, расположенного в трубопроводе между насосом и цилиндром. Воздух в диспергатор подается с помощью устройства для подачи воздуха. В диспергаторе топливо и воздух перемешиваются посредством кавитации, и полученная смесь поступает в цилиндр, где сжигается, перемещая поршень и выполняя работу. При работе двигателя происходит более качественное сжигание топлива из-за большей поверхности соприкосновения воздуха с топливом, повышается мощность двигателя.
Т.к. температура остаточных газов составляет величину 800-900°К для четырехтактных и 700-800°К для двухтактных двигателей внутреннего сгорания (Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. С.162-163), КПД двигателей внутреннего сгорания не превышает 0,5.
Известен четырехтактный комбинированный двигатель внутреннего сгорания с газотурбинным наддувом и охлаждением воздуха (Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. С.9-11), выбранный в качестве прототипа, конструкция которого состоит из блока цилиндров, в которых расположены поршни, снабженные шатунами с кривошипами. Поршень, шатун и кривошип образуют шатунно-кривошипный механизм. Кривошипы связаны с коленчатым валом. Шатунно-кривошипный механизм предназначен для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. В объем, заключенный между верхней поверхностью поршня и стенками цилиндра, периодически подается топливо через форсунку. Периодичность подачи топлива зависит от числа тактов и частоты вращения коленчатого вала. Начало и количество подачи топлива регулируется топливовпрыскивающей аппаратурой. В пространство над поршнем периодически подается воздух, необходимый для сгорания топлива. Продукты сгорания удаляются из цилиндра в выпускной коллектор через выпускной клапан. Периодичность подачи воздуха и удаления продуктов сгорания регулируется работой впускного и выпускного клапанов, которые кинематически связаны с коленчатым валом посредством газораспределительного механизма. Распределительный вал приводится во вращение от коленчатого вала через систему зубчатых передач. На распределительном валу размещен кулачок, который сообщает возвратно-поступательное движение толкателю. Через штангу и рычаг движение от толкателя передается выпускному клапану. Привод впускного клапана от распределительного вала аналогичен приводу выпускного. Профиль кулачков на распределительном валу, управляющих работой клапаном, и положение кулачков относительно кривошипа коленчатого вала определяют продолжительность и моменты их открытия и закрытия.
Продукты сгорания, удаляемые через выпускной клапан, поступают в газовую турбину. Здесь часть тепловой энергии газа преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины. На одном валу с турбинным колесом размещено компрессорное колесо. Компрессор служит для забора воздуха из атмосферы, сжатия его и подачи к полости впускного клапана двигателя. Перед поступлением в двигатель производится охлаждение воздуха в охладителе.
В данных двигателях расход топлива составляет значительную долю в эксплуатационных расходах. Так, например, для магистральных тепловозов, где используется данный двигатель, эта доля достигает 30-45%. Сказанное обуславливает низкие значения эффективного КПД - 0,35-0,41. Под эффективным КПД понимается отношение количества теплоты, эквивалентной эффективной работе, к располагаемой теплоте, внесенной с топливом в двигатель (Володин А.И. Локомотивные двигатели внутреннего сгорания. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1990. С.184).
Задача изобретения - повышение эффективного КПД двигателя внутреннего сгорания путем получения термоэлектрической ЭДС, возникающей из-за перепада температур остаточных газов и окружающей среды.
Технический результат достигается следующим образом. В двигателе внутреннего сгорания, содержащем блок цилиндров, в которых расположены поршни, снабженные шатунами с кривошипами, связанными с помощью шарниров с коленчатым валом, в верхней крышке каждого цилиндра жестко установлена топливная форсунка, соединенная с помощью трубопровода с топливовпрыскивающей аппаратурой, и установлены впускные и выпускные клапаны, на колпачки которых опираются одними своими плечами рычаги, а другими своими плечами рычаги опираются на концы штанг, которые своими противоположными концами упираются в кулачки распределительного вала, который через систему зубчатых передач связан с коленчатым валом, а выпускные клапаны через выпускной коллектор соединены с газовой турбиной, на одном валу с которой установлено колесо компрессора, соединенного через охладитель трубопроводом с полостями впускных клапанов, на выпускном коллекторе жестко установлены коммутационные пластины, к которым прикреплены высокотемпературные концы термоэлектрических элементов, а их низкотемпературные концы снабжены радиаторами и соединены с нагрузкой.
Предлагаемое устройство показано на чертеже. Внутри цилиндров 1 расположены поршни 2, снабженные шатунами 3 с кривошипами 4, связанными с помощью шарниров 5 с коленчатым валом 6. Поршни 2 могут осуществлять возвратно-поступательное движение. В верхней крышке каждого цилиндра 1 жестко установлена топливная форсунка 7, соединенная с помощью трубопровода 8 с топливовпрыскивающей аппаратурой (на чертеже не показана). Также в верхней крышке каждого цилиндра установлены впускные 9 и выпускные 10 клапаны, на колпачки 11 которых опираются одними своими плечами рычаги 12. Другими своими плечами рычаги 12 опираются на концы штанг 13, которые своими противоположными концами упираются в кулачки 14 распределительного вала 15, который через систему зубчатых передач 16 связан с коленчатым валом 6. Выпускные клапаны 10 через выпускной коллектор 17 соединены с газовой турбиной 18, на одном валу с которой установлено колесо компрессора 19, соединенного через охладитель 20 трубопроводом 21 с полостями 22 впускных клапанов 9. На выпускном коллекторе 17 жестко установлены коммутационные пластины 23, к которым прикреплены высокотемпературные концы 24 термоэлектрических элементов 25, которые выполнены, например, из теллурида свинца, сурьмы и копеля. Низкотемпературные концы 26 снабжены радиаторами 27 и соединены электрическими проводами с нагрузкой 28, например с заряжаемым аккумулятором или световыми приборами.
Особо следует отметить, что для повышения эффективности работы можно использовать термобатарею, состоящую из нескольких термоэлектрических элементов.
Работа устройства происходит следующим образом. В пространство между верхней поверхностью поршня 2 и стенками цилиндра 1 периодически подаются топливо через форсунку 7 и воздух, необходимый для сгорания топлива. Периодичность подачи топлива зависит от числа тактов и частоты вращения коленчатого вала 6. Начало и количество подачи топлива регулируется топливовпрыскивающей аппаратурой. Периодичность подачи воздуха и удаления продуктов сгорания из цилиндра 1 регулируется работой подпружиненных впускного 9 и выпускного 10 клапанов, которые кинематически связаны с коленчатым валом 6 посредством газораспределительного механизма, состоящего из зубчатой передачи 16, распределительного вала 15 с кулачками 14, штанг 13, рычагов 12.
Продукты сгорания удаляются из цилиндра 1 через выпускной клапан 10. В результате энергия, выделившаяся при сгорании топлива, двигает поршень 2, который, в свою очередь, через шатун 3 и кривошип 4 приводит во вращение коленчатый вал 6. Распределительный вал 15 приводится во вращение от коленчатого вала 6 через систему зубчатых передач 16. На распределительном валу 15 размещены кулачки 14, которые сообщают возвратно-поступательное движение штангам 13. Через рычаги 12 движение штанг 13 передается выпускным клапанам 10. Привод впускных клапанов 9 от распределительного вала 15 аналогичен приводу выпускных клапанов 10. Профиль кулачков 14 на распределительном валу 15, управляющих работой клапанов 9 и 10, и положение кулачков 14 относительно кривошипа 4 коленчатого вала 6 определяют продолжительность и моменты их открытия и закрытия.
Продукты сгорания, удаляемые через выпускные клапаны 10, через выпускной коллектор 17 поступают в газовую турбину 18. Здесь часть тепловой энергии газа преобразуется в механическую энергию вращения ротора турбины 18. Так как на одном валу с колесом турбины 18 размещено колесо компрессора 19, последний начинает всасывать воздух из атмосферы, сжимать и подавать в полости впускных клапанов 9. Перед поступлением в двигатель производится охлаждение воздуха в охладителе 20.
Продукты сгорания, проходя через выпускной коллектор 17, нагревают его до температуры ~700-800°К. Данное тепло передается через коммутирующие пластины 23 на высокотемпературные концы 24 термоэлементов 25. В связи с тем, что низкотемпературные концы 26 снабжены радиаторами 27, высокотемпературные концы 24 и низкотемпературные концы 26 нагреваются до разных температур. Благодаря этой разнице на зажимах термоэлемента 25 появляется термоЭДС, и т.к. данные зажимы соединены с нагрузкой 28, в последнюю начинает поступать электрическая энергия.
Как можно заметить, в заявляемом двигателе внутреннего сгорания энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, преобразуется не только в энергию механического движения коленчатого вала, но также в электрическую энергию, запитывающую нагрузку. Величина этой энергии особо значительна на холостом ходу двигателя, т.к. температура последнего в этом режиме выше, чем при рабочем режиме. Сказанное обуславливает повышение КПД по сравнению с прототипом.