УНИФИЦИРОВАННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ БЕЗ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
UNIFIED PISTON ENGINE WITHOUT COOLING SYSTEM

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве привода транспортных средств, механизмов и оборудования.
Известны различные конструкции ДВС, в основе которых используются двигатели с кривошипно-шатунным механизмом (поршневые двигатели), роторно-поршневые, роторно-лопастные и другие разновидности двигателей, не нашедших своего применения. Поршневой двигатель при всех имеющихся недостатках выпускается на протяжении 160 лет без особых конструктивных изменений и является на сегодняшний день самым массовым, а в отдельных случаях своего применения, и единственным.
Основным недостатком поршневых двигателей является низкий КПД, достигаемый у бензиновых двигателей до 32%, у дизельных до 45%. Низкий КПД вызван значительными тепловыми потерями, составляющими в общем тепловом балансе двигателя порядка 50-65% и состоящими из потерь тепловой энергии с выхлопными газами, дающими порядка 30-40% потерь и передачей тепла через элементы двигателя в систему охлаждения, имеющие порядка 20-25%, а также механическими потерями на трение и привод вспомогательных систем. Причиной столь высоких тепловых потерь является малая эффективность принятых в классических поршневых двигателях рабочих процессов, а также представленный порядок и режимы выполнения рабочих тактов:
- такты впуск и сжатие производятся в основных рабочих цилиндрах, с разогретыми после завершения тактов рабочий ход и выпуск стенками рабочих камер, что влечет за собой на первой стадии такта сжатие, дополнительное повышение температуры сжимаемого воздуха и как следствие дополнительные затраты энергии на сжатие (до 25%) и соответственно повышенные температуры рабочего тела в конце такта сжатия, влияющие в свою очередь на уменьшение значения степени повышения давления при расширении рабочего тела (до 25%), а также способствует общему повышению температуры рабочего процесса, сопровождающегося увеличением теплопередачи в систему охлаждения. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь и затрат энергии на сжатие, может служить изотермическое сжатие рабочего тела в отдельном компрессоре с принудительным охлаждением.
- такт рабочий ход, классического поршневого двигателя, начинающийся с воспламенения топлива и достижения температур в камере сгорания до 2500-2800°С, сопровождается передачей до 25% тепловой энергии в систему охлаждения, а завершается при температурах в 900-1200°С, способствуя передаче до 40% энергии теплового процесса в атмосферу с отработанными газами. Кроме того, с ростом температуры растет и удельная теплоемкость воздуха, снижая эффективность рабочего процесса, а показатель адиабаты с ростом температуры падает, способствуя при этом снижению термического КПД. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь, может служить рабочий процесс, проходящий при избытке воздуха в 1,5-2,0 раза, превышающий необходимое количество и соответственно с пропорциональным снижением максимальных температур, а также с внесением конструктивных дополнений, позволяющих осуществить процесс без отвода тепла. Данный рабочий процесс будет тем эффективней, чем ниже температура сжатого рабочего тела перед воспламенением. (Справочник машиностроителя. Том 2. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Москва, 1955, стр. 51.)
Известных конструкций ДВС, реализовавших предлагаемые технические решения в результате проведенного заявителем поиска, обнаружить не удалась. По этой причине, для детального изложения сути предлагаемых технических решений, с точки зрения их реализации наиболее подходящим является поршневой двигатель со встречным движением поршней. В рассматриваемом поршневом двигателе реализованы указанные технические решения, позволяющие осуществить рабочий процесс, проходящий при меньших тепловых потерях, а также обеспечивающий по отношению к классическому поршневому двигателю более лучшие эксплуатационные и стоимостные показатели, ему не требуется радиатор и насос системы охлаждения работает по тепловому процессу, обеспечивающему соблюдение самых жестких экологических требований.
По способу реализации рабочего процесса, позволяющего снизить температуру отработанных газов за счет регенерации тепла, а также уменьшить затраты энергии на сжатие воздуха в ступенчатом компрессоре за счет применения теплообменников после каждой ступени, наиболее близким к заявленному является двигатель внутреннего сгорания (Патент RU 2449138), состоящий из компрессорного блока и блока рабочих цилиндров, камер сгорания, картера с силовым преобразователем движения поршней, цилиндропоршневой группы, причем компрессорный блок выполнен двух- или более ступенчатым с установленными теплообменниками на каждой ступени, рабочий блок выполнен из цилиндров с рабочими камерами сгорания, при этом компрессорный блок и рабочие блоки соединены между собой воздуховодом через ресивер, регенератор и клапан впуска.
Данный ДВС конструктивно достаточно сложный, требующий значительного количества дополнительного оборудования, что в свою очередь способствует увеличению массы, стоимости и габаритов двигателя. Задача минимизировать недостатки, характерные для классических поршневых двигателей, в предлагаемом двигателе без системы охлаждения решается особой организацией рабочего процесса с разделенным циклом, а также рядом предложенных дополнительных технических решений.
Описание чертежей.
На фиг. 1 изображен продольный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.
Блок 1 с рабочими цилиндрами 2, имеющими камеры сгорания 3, топливные форсунки 4, свечи накала 5, тепловые экраны 6, выпускные клапана 7 с кулачком 8, кожухом 9 с раструбом 10, впускными клапанами 11 с коллектором 12, а также рабочие поршни 13 с поршневыми кольцами 14, тепловыми экранами 15, поршневыми пальцами 16 с шарнирами 17, связанными через рычаги 18, установленными на осях 19 с пружинами 20 и шатунами 21 посредством кривошипа 22 с маховиком 23, установленным на оси 24 через подшипники 25 с шестерней 26, связанной с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28. Поршни компрессора 29 в компрессорных камерах 30 с поршневыми кольцами 31, маслеными форсунками 32, впускными и обратными клапанами 33 и 34 с выходом в впускной коллектор 35 и обратный коллектор 36 соответственно.
Осуществление изобретения.
Элементы двигателя закреплены на блоке 1, представляющем собой плиту, в которых выполнены коллектора 12, обеспечивающие подачу сжатого воздуха, через впускные клапана 11, в рабочие цилиндры 2, впускные коллектора 35, обеспечивающие поступление воздуха через впускные клапана 33 в компрессорные камеры 30 и обратные коллектора 36, обеспечивающие отбор сжатого воздуха из компрессорных камер, через обратные клапана 34. В рабочих цилиндрах 2 установлены по паре рабочих поршней 13 с возможностью выполнять встречно друг к другу возвратно-поступательные движения, причем на участке их сближения в рабочем цилиндре имеются впускные клапана 11 и выпускные клапана 7, управляемые распределительным кулачком 8, обеспечивающие выпуск отработанных газов в кожух 9 и далее в раструб 10, а также имеются камеры сгорания 3, выполненные в форме цилиндра из жаропрочной стали, куда имеют выход свечи накала 5 с распылителями топливных форсунок 4 и тепловые экраны 6, выполненные также в форме цилиндров, но из материала с высокой теплопроводностью. У рабочих поршней 13 имеются тепловые экраны 15, коаксиально входящие в тепловые экраны 15 встречного поршня и в тепловые экраны 6 рабочего цилиндра 2, причем первые тепловые экраны 15, перекрывающие камеры сгорания 3, выполнены из жаропрочной стали, остальные - из материала с высокой теплопроводностью. Рабочие поршни 13 с имеющейся внутренней цилиндрической полостью - компрессорными камерами 30 установлены на поршни компрессора 29, имеющие поршневые кольца 31, масленые форсунки 32, впускные клапана 33 и обратные клапана 34.
Рабочие поршни 13 через поршневые пальцы 16 с шарнирами 17 закреплены на качающихся рычагах 18, установленных на осях 19 и связанных через пружины 20 в пружинный маятник, закрепленный с одной стороны на блоке 1, с другой - на рычаге 18, причем качающиеся рычаги связаны по диагонали через шатуны 21 посредством шарнира и кривошипа 22, выполненном в маховике 23, который установлен на оси 24 через подшипники 25 вместе с шестерней 26, имеющей зацепление с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28.
Работает поршневой двигатель без системы охлаждения по разделенному циклу, выполняя за один оборот маховика 23 в рабочих цилиндрах 2 такты рабочий ход и выпуск, в компрессорных камерах 30 такты впуск, сжатие и вытеснение сжатого воздуха через обратные клапана 34 в обратный коллектор 36 и далее в воздушный кулер и ресивер (на чертежах не показаны), причем в начале такта сжатие, в компрессорные камеры через масленые форсунки 32, впрыскивается охлажденное до температуры окружающей среды масло, в количестве, достаточном для осуществления изотермического сжатия воздуха.
Удаление масла из воздуха производится в ресивере, устроенном как циклон и являющемся также маслобаком.
Такт выпуск производится при встречном движении рабочих поршней 13 из положения нижней мертвой точки (НМТ) при открытых выпускных клапанах 7, направляя поток газов через кожух 9 в раструб 10, причем в завершающей стадии выпуска, когда камеры сгорания 3 и тепловые экраны 6 начинают перекрываться тепловыми экранами 15, вытеснение отработавших газов производится через кольцевые области, образованные тепловыми экранами, в направлении от центра камер сгорания к стенкам рабочего цилиндра, интенсифицируя при этом теплопередачу тепловым экранам. До прихода рабочего поршня 13 в верхнюю мертвую точку (ВМТ), с закрытием выпускных клапанов 7 открываются впускные клапана 11, обеспечивающие через впускной коллектор 12 подачу в рабочие цилиндры из ресивера сжатого и охлажденного воздуха, причем поступление воздуха производится через кольцевые области, образованные коаксиально расположенными тепловыми экранами 6 и 15, в направлении движения потока от стенок рабочего цилиндра к центру камеры сгорания, обеспечивая при этом, вследствие разницы давлений, значительное охлаждение тепловых экранов и стенок рабочего цилиндра и в то же время осуществляя подвод тепла к рабочему телу.
В начальной стадии выполнения такта рабочий ход, в разогретые до температуры порядка 1000°С камеры сгорания 3, где имеется остаток не вытесненной высокотемпературной воздушно-газовой смеси, с поступлением разогретого сжатого воздуха производится впрыск топлива форсунками 4 и последующее его самовоспламенение. Температурный фронт и тепловое излучение, вызванные воспламенением топлива в первой стадии рабочего хода, сдерживается стенками камеры сгорания 3 и первыми тепловыми экранами 15. Избыток воздуха, составляющий около 2/3 от общего объема, сосредоточенный между тепловыми экранами и выполняющий роль бустера и барьерного воздуха, защищающего стенки рабочего цилиндра от жесткого температурного воздействия, в первой стадии рабочего хода, вследствие общего повышения давления в рабочем цилиндре, разогревается, способствуя при этом дополнительному повышению давления. Во второй стадии рабочего хода, с расхождением тепловых экранов 6 и 15, барьерный воздух в пространстве между тепловыми экранами, находится в стадии расширения, препятствуя активному теплообмену продуктов сгорания с тепловыми экранами, сохраняя тем самым эффективность процесса расширения. Тепловые экраны вступают в активную фазу теплообмена с началом такта выпуск, а особенно после их взаимного схождения.
Новизна предлагаемого изобретения заключается в организации рабочего процесса разделенным циклом, не требующим отвода тепла в систему охлаждения и позволяющим значительно снизить температуру и давление выхлопных газов, а также в реализации следующих технических решений:
1. Применение цилиндрических камер сгорания и тепловых экранов, коаксиально входящих один в другой при сближении поршней, позволяет защитить стенки рабочих камер от температурного воздействия в стадии воспламенения топлива, а сжатый воздух, находящийся в пространстве между тепловыми экранами, работает как бустер, способствуя росту степени увеличения давления, и как барьерный воздух, препятствуя активному теплообмену при такте рабочий ход, обеспечивая возможность осуществления рабочего процесса без отвода тепла в систему охлаждения, а так же рекуперацию тепла от отработавших газов потупившему в рабочую камеру воздуху.
2. Применение рабочих поршней с внутренней полостью, образующих рабочие и компрессорные камеры разных объемов, позволяет получить степень расширения газов в рабочих цилиндрах по значению выше, чем степень сжатия в компрессорных камерах, что в свою очередь способствует снижению температуры и давления отработанных газов.
3. Впрыск охлажденного масла в компрессорные камеры при такте сжатия позволяет снизить затраты энергии на сжатие.
Данные технические решения позволяют осуществить рабочий процесс без принудительного охлаждения рабочих камер, при значительно сниженных значениях температуры и давления выхлопных газов, что в свою очередь позволяет снизить затраты на привод насоса и вентилятора системы охлаждения, затраты на эксплуатационные материалы, на обслуживание, способствует снижению стоимости и массы агрегата, а при отсутствии значительного избыточного давления в системе выхлопа позволяет отказаться от резонатора и в стандартном исполнении глушителя.