СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPERATING PISTON INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС).
Прототипом является способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий наполнение через входное отверстие камеры сгорания и полости цилиндра горючей смесью, сжатие ее поршнем, последующее сжигание с образованием продуктов горения, перемещающих поршень в процессе расширения, удаление их из камеры сгорания и полости цилиндра через выходное отверстие и охлаждение последних [Вырубов Д.Н., Иващенко Н.А., Ивин В.И. и др.; под ред. Орлина А.С, Круглова М.Г. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей. - 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1983. - 372 с.].
Недостатками прототипа являются:
- сложность конструкции и недостаточная надежность, обусловленные наличием газораспределительного механизма, причем, как правило, на высокофорсированных двигателях обрыв или проскальзывание ремня приводит к выходу двигателя из строя по причине удара поршней об открытые клапаны;
- недостаточно высокие эксплуатационные характеристики, связанные с отсутствием реверса вращения коленчатого вала, относительно низким КПД, значительным выбросом вредных веществ с отработавшими газами.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно упрощение конструкции, повышение надежности и эксплуатационных характеристик.
Задача решается тем, что в способе работы поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающем наполнение через входное отверстие камеры сгорания и полости цилиндра горючей смесью, сжатие ее поршнем, последующее сжигание с образованием продуктов горения, перемещающих поршень в процессе расширения, удаление их из камеры сгорания и полости цилиндра через выходное отверстие и охлаждение последних, часть камеры сгорания выполняют подвижной, причем путем соединения частью камеры сгорания полости цилиндра с входным отверстием осуществляют наполнение, с выходным - удаление, а при сжатии и расширении разъединяют входное и выходное отверстия частью камеры сгорания и размещают ее над полостью цилиндра.
Соответственно в начале и конце процессов наполнения и удаления входное и выходное отверстия соединяют частью камеры сгорания с полостью цилиндра одновременно. При наполнении горючую смесь перемещают частью камеры сгорания. При удалении продукты сгорания перемещают частью камеры сгорания. В процессе сжигания горючую смесь перемещают частью камеры сгорания. Перемещение части камеры сгорания синхронизируют с передвижением поршня. Одновременно с перемещением части камеры сгорания производят охлаждение последней изнутри. В процессе сжигания горючую смесь перемещают частью камеры сгорания по направлению к фронту пламени. Охлаждение производят жидкостью. Охлаждение производят газом. Неподвижную часть камеры охлаждают посредством подвижной части. Для охлаждения используют негорючее вещество. Для охлаждения используют горючее вещество. Для охлаждения используют окислитель. При охлаждении жидкость подают в зону начала горения.
Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение части камеры сгорания подвижной и соединение посредством нее полости цилиндра с входным отверстием для наполнения смесью, с выходным для удаления продуктов, а при сжатии и расширении разъединение входного и выходного отверстий частью камеры сгорания и размещение ее над полостью цилиндра позволяет производить замену рабочего тела без газораспределительного механизма, что упрощает конструкцию и повышает ее надежность. Кроме того, появляется возможность реверса коленчатого вала, что повышает эксплуатационные характеристики ДВС.
Соединение соответственно в начале и конце процессов наполнения и удаления входного и выходного отверстий частью камеры сгорания с полостью цилиндра одновременно обеспечивает перекрытие фаз впуска и выпуска, что позволяет улучшить наполнение цилиндра горючей смесью и освобождение его от продуктов сгорания. Все это повышает эксплуатационные характеристики.
Перемещение при наполнении горючей смеси частью камеры сгорания способствует лучшему перемешиванию горючего с окислителем, что также повышает эксплуатационные характеристики.
Перемещение при удалении продуктов сгорания частью камеры сгорания способствует более быстрому и тщательному выведению продуктов сгорания. Продукты выталкиваются поршнем из полости цилиндра в камеру сгорания, а оттуда посредством движущейся части камеры сгорания они через выходное отверстие выводятся наружу. Это способствует повышению мощности двигателя и улучшению его эксплуатационных характеристик.
Перемещение в процессе сжигания горючей смеси частью камеры сгорания обеспечивает турбулизацию горючей смеси и улучшает процесс ее сгорания, что, в свою очередь, повышает КПД и снижает выброс вредных веществ в атмосферу, повышая в конечном счете эксплуатационные характеристики.
Синхронизация перемещения части камеры сгорания с передвижением поршня способствует правильному распределению тактов работы двигателя во времени, что повышает надежность и эксплуатационные характеристики.
Проведение охлаждения камеры сгорания изнутри одновременно с перемещением ее подвижной части позволяет, во-первых, более эффективно охлаждать камеру, поскольку во время сгорания смеси в первую очередь происходит нагрев внутренней поверхности камеры сгорания. Во-вторых, появляется возможность упрощения системы охлаждения двигателя, что повышает надежность.
Перемещение в процессе сжигания горючей смеси частью камеры сгорания по направлению к фронту пламени увеличивает скорость горения смеси. Во-первых, холодная свежая смесь, продвигаясь к очагу горения с высокой температурой, быстрее прогревается, и период индукции (ее воспламенения) уменьшается. Во-вторых, движущаяся смесь способствует лучшему отводу продуктов горения от фронта пламени, благодаря чему происходит более полное сгорание. Это повышает эксплуатационные характеристики.
Охлаждение внутренних стенок камеры жидкостью повышает КПД двигателя. Образовавшаяся на внутренней поверхности камеры сгорания жидкостная пленка уменьшает отток тепла через стенки камеры. При этом испарение пленки способствует образованию паров у внутренней поверхности камеры сгорания, которые имеют значительно меньший по сравнению с жидкостью коэффициент теплопроводности, что позволяет аккумулировать тепло в заряде смеси при сгорании.
Охлаждение камеры сгорания газом, например водяным паром, во-первых, позволяет препятствовать уходу тепла через стенки камеры сгорания. Во-вторых, дает возможность увеличить количество компонентов в смеси. Все это повышает эксплуатационные характеристики.
Охлаждение неподвижной части камеры посредством подвижной части упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность.
Использование для охлаждения камеры негорючего вещества, например водяного пара, позволяет преобразовывать тепловую энергию, которая пошла бы (в обычных ДВС) на нагрев охлаждающей жидкости системы охлаждения, во внутреннюю энергию пара, оказывающего дополнительное давление на поршень. В результате чего КПД двигателя повышается. Если в качестве негорючего вещества использовать воздух, то помимо охлаждения он может выполнять или функцию окислителя поступающей горючей смеси, или может быть использован для продувки.
Использование для охлаждения камеры горючего вещества, например бензина, упрощает систему питания двигателя и повышает его надежность. Испаряющаяся с внутренней поверхности камеры сгорания пленка служит источником паров топлива, которые, смешиваясь с окислителем, сгорают.
Использование для охлаждения камеры окислителя позволяет при необходимости сжигать больше топлива, т.е. форсировать двигатель, что повышает эксплуатационные характеристики.
Подача при охлаждении жидкости (например дистиллированной воды) в зону начала горения способствует (в случае принудительного воспламенения смеси от искры) протеканию в этой жидкости высоковольтного разряда, приводящий к образованию низкотемпературной плазмы. Сначала роль жидкости сводится, главным образом, к торможению расширения плазменного канала, благодаря чему увеличивается плотность выделяющейся в плазме энергии, приводящей к быстрому росту температуры и давления плазмы в канале. Вследствие быстрого нагрева и высокого давления получается некоторый перегрев жидкости. В результате этого одна часть жидкости испаряется теплом плазмы, а другая - разделяется на множество мельчайших частиц посредством возникшей в микрообъеме волны сжатия. В процессе разлета мельчайших частиц происходит турбулизация горючей смеси, улучшающая процесс горения. Все это повышает эксплуатационные характеристики.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала удаления продуктов горения. На фиг.2 изображена схема положения деталей двигателя в момент прохождения поршнем верхней мертвой точки. На фиг.3 изображена схема положения деталей двигателя в момент окончания заполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью. На фиг.4 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала горения смеси. На фиг.5 изображена схема варианта двигателя при раздельной подаче топлива и окислителя. На фиг.6 изображена схема варианта двигателя, в котором охлаждение неподвижной части камеры сгорания осуществляется за счет подвижной. На фиг.7 изображен разрез А-А лопатки двигателя. На фиг.8 изображен разрез Б-Б лопатки двигателя в момент заполнения жидкостью полости источника зажигания. На фиг.9 изображена схема положения деталей двигателя в момент начала удаления продуктов горения при работе в двухтактном режиме. На фиг.10 изображена схема положения деталей двигателя в момент наполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью при работе в двухтактном режиме. На фиг.11 изображена схема положения деталей двухцилиндрового двигателя в момент начала удаления продуктов горения. На фиг.12 изображена схема положения деталей двухцилиндрового двигателя в момент начала всасывания свежей горючей смеси. На фиг.13 изображена схема положения деталей двухцилиндрового двигателя в момент начала сжатия свежей горючей смеси. На фиг.14 изображена схема положения деталей двухцилиндрового двигателя в момент начала горения свежей горючей смеси.
Двигатель содержит цилиндрический корпус 1 с впускным 2 и выпускным 3 окнами, в котором установлены с возможностью вращения цилиндрический ротор 4 с лопастями 5, кинематически связанный с коленчатым валом и с роликами 6, имеющими впадины 7 для пропуска лопаток, разделяющими пространство между корпусом и ротором на кольцевые камеры 8 и 9, из которых, по крайней мере, последняя сообщена с полостью 10 цилиндра, в которой с возможностью перемещения вдоль оси размещен поршень 11, соединенный с коленчатым валом. На цилиндре может быть установлена форсунка 12 с топливом 13, сообщающаяся с полостью и камерой. Ротор может быть выполнен полым с возможностью вращения на вставке 14, установленной соосно с корпусом и имеющей полость 15 с жидкостью 16. Лопатки ротора могут иметь каналы 17, соединяющие торцевые поверхности лопатки с полостью ротора. В корпусе может быть установлен источник зажигания (свеча зажигания) с изолированным 18 и боковым 19 электродами, между которыми возможно размещение капли 20 жидкости. Корпус также может иметь выпускные 21 и впускные 22 окна, которые периодически перекрываются роликами. Работает устройство следующим образом.
Для работы двигателя в четырехтактном режиме (при использовании трехлопастного ротора) передаточное отношение от коленчатого вала к ротору должно быть равно 6, а от роликов к ротору - 1,5. После окончания рабочего хода поршня 11 и прохождения им нижней мертвой точки (НМТ) происходит удаление продуктов сгорания из камеры 9 и полости цилиндра 10 через выпускное окно 3 (фиг.1). Продукты сгорания будут удаляться не только посредством поршня 11, но и с помощью лопатки II ротора 4, которая в процессе движения (поворота) будет перемещать их в сторону выпускного окна 3. Одновременно за этой лопаткой движется свежая горючая смесь, поступающая через входное окно 2. Большая часть сечения полости цилиндра оказывается соединенной с выпускным окном 3, поэтому основная масса продуктов сгорания будет уходить в выпускное окно 3, к тому же, поступлению продуктов сгорании в левую (от лопатки II) часть камеры 9 препятствует находящаяся там свежая смесь. Однако нельзя исключить возможность частичного попадания туда (перемешивания со смесью) небольшого количества продуктов горения, в результате чего будет иметь место эффект рециркуляции дымовых газов.
При прохождении поршнем расстояния от НМТ до верхней мертвой точки (ВМТ) коленчатый вал повернется на угол 180°, а ротор 4 - на 30°. В результате этого лопатка II займет вертикальное положение, разделяя сечение полости цилиндра 10 на две равные части (фиг.2). Лопатка II будет продолжать вытеснять продукты сгорания в выпускное окно 3, увеличивая при этом площадь сечения полости цилиндра 10, сообщаемую с впускным окном 2, и уменьшая соответственно ту часть сечения полости, которая связана с выпускным окном 3. Поршень 11 будет двигаться вниз, осуществляя интенсивное всасывание свежей смеси из впускного окна 2 в полость цилиндра.
При приближении поршня к НМТ лопатка III начнет перекрывать впускное окно 2 и затем разобщать его с полостью цилиндра 10, а лопатка II - разобщать указанную полость с выпускным окном 3 (фиг.3). После прохождение поршнем НМТ начнется сжимание свежей смеси.
К моменту подхода поршня к ВМТ смесь окажется сжатой в камере сгорания, образованной лопатками II, III, поверхностью ротора 4, находящейся между ними, и стенками корпуса 1 (частью камеры 9) (фиг.4). Сжатую смесь поджигают посредством свечи зажигания известным способом, в результате чего поршень совершает рабочий ход. Поскольку давление газов одинаково действует на обе лопатки, то практически никакого противодействия повороту ротора оно не оказывает. После этого цикл работы двигателя повторяется. В процессе сгорания лопатка III перемещает (пододвигает) смесь к источнику зажигания (к фронту пламени), в результате чего увеличивается скорость ее сгорания, а также происходит турбулизация смеси. После прохождения лопаткой I ролика 6, ее можно охлаждать, например, струей воздуха, омывающего ее поверхности и поверхность ротора 4. Благодаря этому устраняется существенный недостаток, присущий роторно-лопастным двигателям, в которых лопатки испытывают большую тепловую нагрузку.
Аналогичным образом двигатель будет работать в режиме дизеля, если вместо смеси засасывать окислитель (воздух), а зажигание заменить впрыском топлива. Кроме того, впрыск топлива 13 можно осуществлять и непосредственно после всасывания окислителя, например с помощью форсунки 12.
Если ротор 4 выполнен полым и имеет вставку 14 с полостью 15, которая заполнена жидкостью 16, то можно производить охлаждение стенок корпуса 1 указанной жидкостью. Как только лопатка окажется напротив полости 15, через каналы 17 лопатки начнет протекать жидкость 16, которая благодаря малому зазору 8 между торцевыми поверхностями лопатки и корпусом 1 будет смачивать тонким слоем поверхность корпуса, оставляя на ней тонкую водяную пленку (след), которая начинает испаряться, охлаждая стенки камеры сгорания и продуцируя пар, теплопроводность которого ниже, чем у жидкости (фиг.6, 7). Благодаря этому снижается отток тепла через стенки камеры сгорания, а перегретый пар создает дополнительное давление на поршень двигателя в процессе его рабочего хода. После прохождения лопаткой полости 15 жидкость 16 перестанет поступать в каналы 17 и смачивание стенки корпуса прекратится.
Если поместить источник зажигания напротив одного из каналов 17, то в пространство между центральным 18 и боковым 19 электродами поступит жидкость, которая покроет их и останется в виде некоторой капли 20, удерживающейся в указанном пространстве силами поверхностного натяжения, капиллярными или за счет определенного положения этого пространства, например изначального наклона источника (фиг.8). При воздействии на электрод 18 импульса высокого напряжения происходит электрический разряд, приводящий к формированию в капле 20 низкотемпературной плазмы. Приближенно можно считать, что вся энергия, выделяющаяся в плазменном канале, идет в основном на нагрев вещества в канале разряда и на работу расширения канала.
В результате создавшихся высокой температуры и большого давления в канале плазмы одна часть порции жидкости испаряется ее теплом, а другая - разлетается на множество мельчайших частиц посредством возникшей в микрообъеме волны сжатия. В процессе разлета этих частиц происходит турбулизация заряда горючей смеси и дополнительное образование паров. При воздействии низкотемпературной плазмы появляются продукты распада жидкости (воды), в числе которых присутствует гидроксильный радикал (ОН), обеспечивающий горение окиси углерода:
2
СО+ОН=СO+Н;
2
Н+О=ОН+O;
2
СО+O=СO.
Кроме того, углерод, который обычно выделяется в виде частичек сажи, вступает в реакцию с парами воды:
2
2
С+НO=СО+Н;
2
2
2
С+2НO=СO+2Н.
Все это интенсифицирует процесс горения, в результате чего увеличивается полнота сгорания и повышается КПД термического преобразования энергии. Кроме того, получающийся водород увеличит выделяющуюся в начальном очаге горения теплоту, что позволяет сжигать обедненные горючие смеси.
Отметим, что вместо воды можно использовать горючую жидкость (топливо), которая находясь в виде пленки на поверхности камеры сгорания, постепенно испаряясь, продуцирует пары топлива. При этом скорость испарения топлива с поверхности пленки не меньше, чем при его распределении по объему воздушного заряда в виде капель того же диаметра, что и толщина пленки (см. например, Вырубов Д.Н. Проблема смесеобразования в двигателях с воспламенением от сжатия. Повышение мощности и экономичности двигателей внутреннего сгорания. М.: Машгиз, 1957).
Можно также вместо воды вводить в камеру жидкий окислитель, например фэтерол, представляющий собой смесь метилтретбутилового эфира и третбутилового спирта (см. ИР №2, 1995, с.12). Это позволит сжигать обогащенные смеси, повышая при этом мощность двигателя.
Двигатель может также работать в режиме реверса, если поменять местами окна 2 и 3, а при запуске двигателя вращать коленчатый вал (например стартером) в противоположную сторону. Такой двигатель удобно использовать на транспортном средстве, которое не имеет преимущественного направления движения (например, дрезина).
Для работы двигателя в двухтактном режиме (при использовании трехлопастного ротора) передаточное отношение от коленчатого вала к ротору должно быть равно 3, а от роликов к ротору - 1,5. В процессе рабочего хода поршня 11 при прохождении им около 0,7 хода от ВМТ лопатка III соединяет выпускное окно 3 с полостью цилиндра, создавая возможность удаления из полости цилиндра 10 продувкой продуктов горения (фиг.9). При подходе поршня к НМТ лопатка I разделяет полость цилиндра пополам, создавая условия для заполнения камеры сгорания и полости цилиндра свежей смесью, поступающей из входного окна 2. Дальнейшее движение поршня сопровождается заполнением смесью камеры сгорания и полости цилиндра, которое заканчивается на отметке около 0,7 хода от ВМТ, когда лопатка II перекроет и отсечет окно 2 от камеры сгорания, а лопатка I окажется вне полости цилиндра (фиг.10). Далее начинается процесс сжатия горючей смеси, который заканчивается к моменту подхода поршня к ВМТ. Лопатки I и II при этом будут симметрично расположены относительно оси полости цилиндра. Затем происходит воспламенение смеси и рабочий ход поршня, после чего цикл работы двигателя повторяется.
Двигатель может работать в четырехтактном режиме с двумя цилиндрами, каждый из которых соединен со своим коленчатым валом. Отбор мощности можно вести с единого вала или с каждого по отдельности, при этом вращение валов должно быть синхронизировано. Для работы двигателя в этом режиме (при использовании четырехлопастного ротора) передаточное отношение от коленчатого вала к ротору должно быть равно 8, а от роликов к ротору - 2.
После окончания рабочего хода поршни обоих цилиндров находятся в НМТ, лопатки I и III не доходят до оси полости цилиндров на 22,5°. При этом лопатка IY (и II), находясь над выпускным окном 21, не препятствует сообщению его с камерой сгорания и полостью цилиндра (фиг.11). Продукты сгорания начинают удаляться, при достижении поршнями ВМТ ролики 6 закрывают выпускные окна 21 и приоткрывают впускные 22 (фиг.12). Дальнейшее движение поршней к НМТ сопровождается всасыванием свежей горючей смеси в цилиндры, которое заканчивается при подходе поршней к НМТ (фиг.13). При этом лопатка II (IY) перекрывает доступ свежей смеси из окна 22. Затем происходит сжатие смеси, ее воспламенение и последующее горение (фиг.14), после чего цикл работы двигателя повторяется.
Внедрение изобретения позволит создать ДВС без газораспределительного механизма, что упрощает конструкцию не только самого двигателя, но и систем смазки и охлаждения. Такой двигатель небольшого объема можно использовать на стоянке для выработки энергии, необходимой для работы кондиционера, габаритных огней и т.п., оставляя при этом основной (тяговый) двигатель в выключенном состоянии.