СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE, AND MOTOR USED FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способу работы двигателя внутреннего сгорания и к двигателю для его осуществления, преимущественно к судовым, тепловозным, промышленным двигателям.
Известны способы работы двигателей внутреннего сгорания, их достоинства и недостатки, например способы по книге Ю.Б.Моргулиса «Двигатели внутреннего сгорания» [1], книге В.С.Охотина «Основы теплотехники» [2] и др.
Известны двигатели внутреннего сгорания и их технические характеристики (следовательно, их достоинства и недостатки), например двигатели судовые, тепловозные и промышленные по ГОСТ 10150-88.
Известен способ работы двигателя, например, по [2] с.206…216 - прототип способа.
Известен двухтактный с вертикальными цилиндрами и встречно движущимися поршнями двигатель Харьковского завода им. Малышева, например двигатель 101Д100Б и др. типа двигателя Д100 [1] с.20, а также четырехтактный двигатель фирмы «Майбах» (ФРГ) [1] с.177 с числом цилиндров до 16 - прототип двигателя.
Недостатки способа и двигателя в том, что не достигнута возможность сжигания угля в таком двигателе вместо дорогих моторных топлив, так как, на наш взгляд, проблематично увеличить степень сжатия до необходимого уровня из-за утечек газа через уплотнительные кольца; а также во взаимной зависимости размеров диаметра поршня и его хода; в сложности двигателя из-за большого числа цилиндров и соответственного числа комплектов деталей поршневой и кривошипно-шатунной групп, например двигатель Д100 содержит 20 поршней; двигатель «Майбах» - 96 клапанов и др.
Задача и технический результат - изыскание способа сжигания размолотого в порошок угля в двигателе внутреннего сгорания и изыскание компактного двигателя внутреннего сгорания, имеющего две-четыре емкости сжатия-расширения газов без их утечек при сжатии-расширении с повышенным давлением и при длительной работе на размолотом в порошок угле, а по необходимости и на обычном моторном топливе.
Сущность изобретения - способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий повторяющиеся циклы последовательно чередующихся тактов сжатия-расширения газов в первой и второй емкостях и зарядку емкостей в каждом цикле свежим зарядом горючей смеси при газообмене, причем давление газов, сжатых в такте сжатия, дополнительно повышают сжиганием в них топлива, отличающийся тем, что полость каждой емкости заполняют в верхней части газами, а в нижней части водой, причем газами, расширяющимися от сжигания топлива в полости с газами первой емкости, вытесняют воду из этой емкости в гидродвигатель через его первый входной-выходной канал, одновременно воду из гидродвигателя через его второй входной-выходной канал направляют во вторую емкость, уменьшая в ней объем полости с газами, и наоборот газами, расширяющимися от сжигания топлива в полости с газами второй емкости, вытесняют воду из этой емкости в гидродвигатель через его второй входной-выходной канал, одновременно воду из гидродвигателя через его первый входной-выходной канал направляют в первую емкость, уменьшая в ней объем полости с газами.
Сущность изобретения - двигатель внутреннего сгорания, содержащий емкости и в них с газом полости циклически переменного объема, каналы и клапаны механизма газораспределения, компрессор системы газообмена, кривошип с маховиком, отличающийся тем, что нижняя часть каждой емкости заполнена водой и сообщена водоводом с поворотным гидродвигателем так, что первая емкость сообщена с первым входным-выходным каналом поворотного гидродвигателя, а вторая емкость сообщена со вторым входным-выходным каналом этого же поворотного гидродвигателя, причем с валом гидродвигателя связан вал с коромыслом кривошипно-коромыслового механизма, чей кривошип с маховиком кинематически соединен с механизмом газораспределения.
Достигают сжигания размолотого в порошок угля в двигателе внутреннего сгорания, имеющего полости сжатия-расширения газов без их утечек при сжатии-расширении с повышенным давлением и при длительной работе на размолотом в порошок угле, а по необходимости и на обычном моторном топливе.
Устроен двигатель внутреннего сгорания (далее ДВС), например, так:
На фиг.1 изображена принципиальная технологическая схема способа работы ДВС по изобретению.
На фиг.2 схематично изображен ДВС с местами сечений А-А и Б-Б.
На фиг.3 по А-А изображен поперечный разрез поворотного однопластинчатого компрессора, емкостей для газа, воды, с видом на впускные и выпускные клапаны. Стенка с гнездами клапанов условно прозрачная. Видны показанные схематично радиальные стенки впускных и выпускных каналов входа и выхода газов через клапаны двухтактного ДВС. Стрелками показано направление движения газов.
На фиг.4 по Б-Б изображен поперечный разрез емкостей для газа, воды с видом на поворотный однопластинчатый гидродвигатель в двухтактном ДВС.
На фиг.5 по Б-Б изображена принципиальная схема газораспределения двухтактного ДВС второго варианта с впускными, выпускными клапанами и зарядными клапанами для подачи в емкости смеси воздуха с порошковым углем на изображении разреза. Стенка с гнездами клапанов условно прозрачная. Видны показанные схематично радиальные стенки впускных и выпускных каналов входа продувочного воздуха, выхода продуктов сгорания и каналы входа смеси воздуха с порошковым углем через зарядные клапаны.
На фиг.6 по А-А изображен поперечный разрез емкостей для газа, воды с видом на впускные и выпускные клапаны, причем стенка с гнездами для клапанов условно прозрачная; видны показанные схематично каналы для входа и выхода газов (входа свежего заряда горючей смеси и выхода продуктов ее сгорания) через клапаны четырехтактного ДВС. Стрелками показано направление движения газов (входа свежего заряда горючей смеси и выхода продуктов ее сгорания) в четырехтактном ДВС.
На фиг.7 схематично изображен разрез по Б-Б четырехтактного ДВС. По Б-Б изображен поперечный разрез емкостей для газа, воды с видом на поворотный двухпластинчатый гидродвигатель в четырехтактном ДВС.
Условные обозначения на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7:
1 - первая емкость с вертикальными боковыми стенками двухтактного ДВС, имеющая горизонтальное сечение в виде 120-градусного кольцевого сектора (далее емкость),
2 - вторая емкость с вертикальными боковыми стенками двухтактного ДВС, имеющая горизонтальное сечение в виде 120-градусного кольцевого сектора, причем одна ее радиальная стенка общая со стенкой емкости 1 (далее емкость),
3 - крышка емкостей 1 и 2, оснащенная форсунками над емкостями 1, 2 для воспламенения воздушно-угольной смеси впрыскиванием минимально необходимого жидкого топлива (далее крышка),
4 - впускной канал в крышке 3 для подачи свежего заряда воздуха, горючей смеси в емкость 1, 2 (далее канал),
5 - выпускной канал в крышке 3 для выхода отработанных газов - продуктов сгорания из емкостей 1, 2 (далее канал),
6 - впускной клапан в канале 4 (далее клапан),
7 - выпускной клапан в канале 5 (далее клапан),
8 - поплавковый поршень с термоизоляционным слоем в верхней части (далее поршень),
9 - привод клапанов 6 и 7 - кулачковый распредвал (далее распредвал),
10 - поворотный однопластинчатый гидродвигатель, выполненный с возможностью поворота пластины на угол, близкий к 120 градусам (далее гидродвигатель),
11 - пластина гидродвигателя 10 (далее пластина),
12 - вал гидродвигателя 10 (далее вал),
13 - водовод, сообщающий емкость 1 с входным-выходным каналом гидродвигателя 10 (далее водовод),
14 - водовод, сообщающий емкость 2 с входным-выходным каналом гидродвигателя 10 (далее водовод),
15 - в виде 120-градусного витка шнека нижняя поверхность водовода 13, направленная справа налево с понижением вплоть до пересечения с нижней торцевой стенкой гидродвигателя 10 (далее виток),
16 - в виде 120-градусного витка шнека нижняя поверхность водовода 14, направленная слева направо с понижением вплоть до пересечения с нижней торцевой стенкой гидродвигателя 10 (далее виток),
17 - радиатор охлаждения воды емкости 1, сообщенный с водоводом 13 параллельно (далее радиатор),
18 - радиатор охлаждения воды емкости 2, сообщенный с водоводом 14 параллельно (далее радиатор),
19 - пластина поворотного однопластинчатого компрессора, установленная с возможностью поворота на угол, близкий к 120 градусам (далее компрессор),
20 - компрессора 19 вал, состыкованный с валом 12 гидродвигателя 10 (далее вал),
21 - обратный клапан на впускном канале компрессора 19 (далее клапан),
22 - кривошипно-коромысловый механизм, установленный в закрытом корпусе с маслом (далее механизм),
23 - вал с коромыслом механизма 22 (далее коромысло),
24 - шатун механизма 22 (далее шатун),
25 - механизма 22 кривошип, выполненный в виде эксцентрика на валу (далее вал),
26 - на валу 25 маховик с зубчатым венцом для кинематической связи с электростартером (далее маховик),
27 - дальномерный датчик позиции поршня 8, например приемопередатчик светодальномера (далее датчик),
28 - светоотражательная призма, установленная на нижней стороне поршня 8, (далее призма),
29 - компьютер,
30 - линия связи датчика 27 с компьютером 29 (далее кабель),
31 - цистерна с водой (далее цистерна),
32 - сообщенный трубопроводами с цистерной 31 и с входным-выходным каналом гидродвигателя 10 насос подпитки водой емкости 1 (далее насос),
33 - сообщенный трубопроводами с цистерной 31 и входным-выходным каналом гидродвигателя 10 насос подпитки водой емкости 2 (далее насос),
34 - насоса 32, насоса 33 частотно регулируемый привод, содержащий электродвигатель и преобразователь частоты электротока, причем вход управления скоростью электродвигателя сообщен с компьютером 29 (далее ЧРП),
35 - линия связи ЧРП 34 с компьютером 29 (далее кабель),
36 - закрепленный на стенке емкости 1, 2 ультразвуковой излучатель (далее излучатель),
37 - канал в крышке 3 для подачи в емкость 1 воздушно-угольной смеси (далее канал),
38 - канал в крышке 3 для подачи в емкость 2 воздушно-угольной смеси (далее канал),
39 - управляемый распредвалом 9 клапан в канале 37 (далее клапан),
40 - управляемый распредвалом 9 клапан в канале 38 (далее клапан),
41 - выполненный в виде тора и сообщенный с каналами 37, 38 ресивер с воздушно-угольной смесью (далее ресивер),
42 - трубопровод, соединяющий ресивер 41 с каналом 37, 38 (далее трубопровод),
43 - центробежный компрессор с устройством подачи угольного порошка на его входной канал (далее компрессор),
44 - газовая турбина, входной канал которой сообщен с каналами 5, а вал соединен с компрессором 43 (далее турбина),
45 - первая емкость с вертикальными боковыми стенками четырехтактного ДВС, имеющая горизонтальное сечение в виде 60-градусного кольцевого сектора (далее емкость),
46 - вторая емкость с вертикальными боковыми стенками четырехтактного ДВС, имеющая горизонтальное сечение в виде 60-градусного кольцевого сектора, причем одна ее радиальная стенка общая с емкостью 44 (далее емкость),
47 - пластина двухпластинчатого поворотного гидродвигателя, выполненного с возможностью поворота пластин на угол, близкий к 60 градусам (далее гидродвигатель),
48 - гидродвигателя 47 вал с двумя пластинами (далее вал),
49 - в виде 60-градусного витка шнека нижняя поверхность водовода, сообщающего емкость 45 с входным-выходным каналом гидродвигателя 47 и выполненная с понижением вплоть до пересечения с нижней торцевой стенкой гидродвигателя 47 (далее виток),
50 - в виде 60-градусного витка шнека нижняя поверхность водовода, сообщающего емкость 46 с входным-выходным каналом гидродвигателя 47 и выполненная с понижением вплоть до пересечения с нижней торцевой стенкой гидродвигателя 47 (далее виток).
В первом варианте двухтактного ДВС емкости 1,2 заполнены в нижней части водой, в верхней части воздухом и накрыты крышкой 3 с каналами 4, 5, перекрытыми управляемыми клапанами 6, 7. Поршни 8 находятся на уровне воды. Над стержнями клапанов установлен распредвал 9. Входные-выходные каналы гидродвигателя 10, разделенные пластиной 11 и валом 12, посредством водоводов 13, 14, выполненными с направляющими витками 15, 16, сообщены с емкостями 1, 2 соответственно. С этими же емкостями входные-выходные каналы гидродвигателя сообщены также через радиаторы 17, 18. Компрессора 19 вал 20 состыкован с валом 12 гидродвигателя 10, причем входные каналы насоса сообщены с атмосферой через клапаны 21, а с полостями 1, 2 через каналы 4 и клапаны 6. С валом 12 через вал 20 связано механизма 22 коромысло 23, которое посредством шатуна 24 соединено кинематически с валом 25 и маховиком 26. В каждой емкости 1, 2 установлен датчик 27, а на каждом поршне установлена призма 28, причем датчик связан с компьютером 29 кабелем 30. С цистерной 31 сообщены входные каналы насосов 32, 33, причем их выходные каналы сообщены соответственно с емкостями 1, 2, а валы соединены с электромоторами ЧРП 34, каждый из которых связан кабелем 35 с компьютером 29.
Двухтактный ДВС второго варианта отличается от первого варианта тем, что в крышке 3 над емкостью 1 содержит дополнительно канал 37 с клапаном 39, над емкостью 2 содержит дополнительно канал 38 с клапаном 40, а также содержит ресивер 41, два трубопровода 42, компрессор 43, турбину 44.
Четырехтактный ДВС содержит две первые емкости 45 и две вторые емкости 46. Каждая емкость сообщена через каналы 4, клапаны 6 (фиг.4) с центробежным компрессором, оснащенным устройством регулируемой подачи угольного порошка на его входной канал, а через каналы 5, клапаны 7 каждая емкость 45, 46 сообщена с сопловым аппаратом газовой турбины. Вал 48 соединен с коромыслом 23. В остальном каждая емкость 45, 46 оснащена так же, как в варианте двухтактного ДВС, кроме клапанов 39, 40.
Работает двухтактный ДВС первого варианта следующим образом. Электростартером раскручивают маховик 26 с механизмом 22 и приводят в действие компрессор 19, на входной канал которого подают топливо-угольный порошок и сжимают воздушно-угольную смесь до нескольких МПа. Одновременно валом 23 через зубчатую передачу вращают распредвал 9, кулачки на котором расположены так, что клапан 6 открывают не раньше закрытия клапана 7. Следовательно, свежий заряд воздушно-угольной смеси с давлением в ~0,5…1,5 МПа подают в емкость 1, 2 после того, как давление в ней станет близким к атмосферному, то есть ~0,1 МПа. Одновременно механизмом 22, валами 20 и 12 приводят в действие гидродвигатель 10, которым перекачивают воду между полостями 1, 2. Этим циклически поочередно сжимают воздушно-угольную смесь до нескольких десятков МПа и впрыскивают небольшое количество солярки для воспламенения воздушно-угольной смеси. Угольный порошок - топливо сгорает. Этим дополнительно повышают давление газов. Газами, расширяющимися от сжигания топлива в полости с газами емкости 1, вытесняют воду из этой емкости в гидродвигатель 10 по водоводу 13 через первый входной-выходной канал гидродвигателя 10. Одновременно воду из гидродвигателя 10 через его второй входной-выходной канал по водоводу 14 направляют в емкость 2, уменьшая в ней объем полости с газами и порошковым углем, то есть объем воздушно-угольной смеси. И наоборот, газами, расширяющимися от сжигания топлива в полости с газами емкости 2, вытесняют воду из этой емкости в гидродвигатель 10 по водоводу 14 через второй входной-выходной канал гидродвигателя 10. Одновременно воду из гидродвигателя 10 через его первый входной-выходной канал по водоводу 13 направляют в емкость 1, уменьшая в ней объем полости с газами (воздухом) и порошковым углем, то есть объем воздушно-угольной смеси. Этим сжимают воздушно-угольную смесь до нескольких десятков МПа и впрыскивают через форсунку небольшое количество солярки для воспламенения воздушно-угольной смеси. Далее циклы повторяют, как это описано выше. Мощность снимают с вала 23. При этом воду постепенно расходуют на смачивание стенок емкостей 1, 2 с последующим испарением и удаляют с выхлопными газами. Для поддержания принятого объема воды в полости 1, 2 дальномером 27 измеряют минимальное расстояние до поршня 8 в каждом такте. По кабелю 30 информацию передают в компьютер 29, в соответствии с введенной в компьютер программой вырабатывают напряжение управления скоростью вращения электродвигателя соответствующего ЧРП 34, которое подают на вход ЧРП по кабелю 35, и соответственно увеличивают-уменьшают подачу насоса 32, 33. Если расстояние от дальномера 27 до поршня 8 меньше принятого, то скорость вращения вала электромотора ЧРП 34, следовательно, подачу соответствующим насосом 32, 33, увеличивают, и наоборот. Работой излучателя 51 в воде емкости 1, 2 возбуждают кавитацию, которой очищают стенки емкостей от налипающих твердых частиц продуктов сгорания угольного порошка, а воду меняют при очередном техническом обслуживании ДВС.
Работа двухтактного ДВС второго варианта отличается тем, что продувку емкостей 1, 2 выполняют так, что клапан 6 открывают до закрытия клапана 7. При этом компрессором 19 подают для продувки емкостей 1, 2 только воздух, а угольный порошок подают на входной канал компрессора 43 и через ресивер 41, трубопроводы 42, каналы 37, 38, клапаны 39, 40 под давлением в несколько МПа воздушно-угольную смесь подают в емкости 1, 2 после закрытия клапанов 6 и 7. Выхлопные газа направляют в турбину 44. В остальном этот ДВС работает как ДВС в первом варианте.
Работа четырехтактного ДВС, учитывая выше изложенное и фиг.4, специального пояснения не требует.
Возможно также использовать ДВС, соответствующий формуле изобретения, в качестве генератора газа высокого давления, а мощность снимать с газовой турбины. В таком случае механизм 22 рассчитывают только на привод вспомогательных устройств ДВС.
Итак, достигают сжигания размолотого в порошок угля в двигателе внутреннего сгорания, имеющего полости сжатия-расширения газов, без утечек газов при сжатии-расширении с повышенным давлением и при длительной работе на размолотом в порошок угле, а по необходимости и на обычном моторном топливе.
Источники информации
1. Ю.Б.Моргулис. Двигатели внутреннего сгорания (Теория, конструкция и расчет). Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. М.: 1959, 341 с.
2. Основы теплотехники / В.С.Охотин и др. - М.: Изд. «Высшая школа», 1984. - 216 с.