ДВУХТАКТНЫЙ ДЕТОНАЦИОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
TWO-STROKE DETONATION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с компрессионным или детонационным воспламенением рабочей смеси.
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с камерой сжатия, поршень, сжимающий горючую смесь, и шатун. При этом шатун состоит из нескольких частей, одна из которых связана с коленвалом, а другая - поршневым пальцем с поршнем. Причем между днищем поршня и коленвалом расположены упругие элементы, представляющие собой пружину, зажатую между частями шатуна. Шатун двигателя также включает в себя часть с направляющими и полостью. При этом части шатуна стянуты проходящей внутри пружины шпилькой и фиксируются относительно друг друга от разворота этой же пружиной. Один конец шпильки закреплен наглухо в части шатуна, связанной с коленвалом. Другой конец шпильки введен в часть шатуна с направляющими и полостью, скользит по ее направляющим и удерживается в ней свободно проходящей в ее полости гайкой. Часть шатуна с направляющими и полостью укреплена в части шатуна, связанной поршневым пальцем с поршнем. Горючая смесь сжимается поршнем вблизи ВМТ до давления, вызывающего детонацию, и часть энергии детонирующего газа преобразуется в потенциальную энергию сжатия пружины, а затем - в кинетическую энергию вращения коленвала в фазе рабочего хода поршня. В исходном положении усилие сжатия пружины частями шатуна, стянутыми шпилькой с гайкой на конце, не меньше максимального усилия сжатия горючей смеси поршнем перед моментом детонации газа (см. патент РФ №2239707, кл. F02B 1/12, F02B 75/32, F02B 75/04, F02D 15/00, заявлено 08.04.2002, опубликовано 10.11.2004).
Недостатком двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ №2239707 является то, что для создания требуемого усилия сжатия, пружина должна иметь достаточно большие габариты и вес и его размещение между поршнем и коленвалом приводит к увеличению в несколько раз массы деталей поршневой группы и соответственно инерционных сил, которые снижают ресурс, возрастают механические потери, увеличиваются габариты и вес двигателя. Кроме того, момент возврата частей шатуна в исходное положение в фазе рабочего хода сопровождается возникновением ударной нагрузки воспринимаемой гайкой и шпилькой, что резко уменьшает их ресурс и надежность работы.
Известен также двигатель внутреннего сгорания содержащий корпус, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный вал, механизм регулирования рабочего объема, по меньшей мере два цилиндра, поршни, размещенные в цилиндрах и шарнирно связанные с головками шатунов, а другие головки шатунов шарнирно связаны с крестовиной шарнира неравных угловых скоростей, в корпусе размещены цилиндры и установлен изогнутый вал с противовесом, связанный с наклонным валом, на изогнутом вале установлен маховик, связанный с наклонным валом внешним зубчатым зацеплением, а на корпусе установлены колеса, связанные с шипами крестовины (см. патент РФ №2187665, кл. F02B 3/06, F02B 75/26, заявлено 29.12.1999, опубликовано 20.08.2002).
Недостатком двигателя внутреннего сгорания по патенту РФ №2187665 является то, что он не приспособлен для организации работы с компрессионным самовоспламенением рабочей смеси, а также снижение ресурса из-за больших удельных давлений в зубчатых зацеплениях и на кромках опор наклонного вала.
Данное техническое решение принято за прототип. Задача, решаемая изобретением, заключается в создании надежного, компактного и экономичного двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат при использовании данного изобретения состоит в возможности организации устойчивой работы с компрессионным самовоспламенением рабочей смеси при сохранении простоты и надежности конструкции, увеличении ресурса двигателя из-за уменьшения скорости и давления в трущихся парах.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем корпус, по меньшей мере два цилиндра, изогнутый вал, шарнир неравных угловых скоростей, наклонный вал, поршни, размещенные в цилиндрах, и шарнирно связанные с головками шатунов, а другие головки шатунов шарнирно связаны с крестовиной шарнира неравных угловых скоростей, согласно изобретению колено изогнутого вала, выполненное в виде косого стакана, установлено на нем с помощью подвижного шлицевого соединения, косой стакан и связанный с ним наклонный вал имеют рабочие поверхности по обе стороны от оси качания крестовины. Связь наклонного вала с косым стаканом и крестовиной шарнира неравных угловых скоростей осуществлена посредством самоустанавливающихся вкладыш. Оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине шарнира неравных угловых скоростей, наклонному валу, косому стакану установлены такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни, шатуны, крестовина шарнира неравных угловых скоростей, наклонный вал и косой стакан. Содержит механизм ограничения давления в камерах сгорания и устройство регулирования степени сжатия. В качестве нагнетателя использованы подпоршневые полости, в которых выполнены окна, а на изогнутом вале выполнены паз и кольцевая выточка. Впускные окна выполнены в два ряда в каждом цилиндре и соответственно раздельно связаны с подпоршневыми полостями этого цилиндра посредством трактов, причем впускные окна, связанные с трактом, в который подают топливо, расположены последними от ВМТ и выполнены с наклоном, а двигатель имеет прямоточно-щелевую продувку.
Согласно изобретению механизм ограничения давления в камерах сгорания содержит подвижные кольца, установленные в корпусе с помощью направляющих пальцев и соответственно шарнирно связанные с крестовинами шарниров неравных угловых скоростей, упругие элементы в виде пружин или пневматических шин прижимают подвижные кольца в сторону камеры сгорания, причем усилие сжатия упругих элементов не меньше усилия сжатия рабочей смеси в момент ее самовоспламенения в конце сжатия и предусмотрена возможность регулирования усилия сжатия упругих элементов. Устройство регулирования степени сжатия включает в себя механизм ограничения давления в камерах сгорания и дополнительно содержит гидроцилиндры установленные в корпусе, поршни которых взаимодействуют с подвижными кольцами, полости гидроцилиндров связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем заполненный жидкостью и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействует одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связан с исполнительным устройством и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия.
Согласно изобретению при турбинно-поршневом исполнении двигателя механизм ограничения давления в камерах сгорания выполнен в виде самодействующих выпускных клапанов, причем усилие сжатия пружин самодействующих выпускных клапанов не меньше усилия сжатия рабочей смеси в момент ее самовоспламенения в конце сжатия и предусмотрена возможность регулирования усилия их сжатия. Устройство регулирования степени сжатия содержит подвижное кольцо, установленное в корпусе с помощью направляющих пальцев и шарнирно связанное с крестовиной шарнира неравных угловых скоростей, упругий элемент в виде пружин прижимает подвижное кольцо в сторону камеры сгорания, причем усилие сжатия упругого элемента больше усилия сжатия пружин самодействующих выпускных клапанов, гидроцилиндры установлены в корпусе, поршни гидроцилиндров взаимодействуют с подвижным кольцом, полости гидроцилиндров связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра, которые образуют замкнутый объем заполненный жидкостью и предусмотрена возможность автоматического регулирования степени сжатия за счет температурного расширения или сжатия жидкости, винт установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра и взаимодействует одним концом с поршнем регулирующего гидроцилиндра, а другим концом связан с исполнительным устройством и предусмотрена возможность управляемого регулирования степени сжатия. Выпускные тракты самодействующих выпускных клапанов выполнены в виде соплового аппарата, компрессорная турбина жестко связана с изогнутым валом, а тяговая турбина установлена на нем, с помощью подшипников.
Также согласно изобретению при четырехцилиндровом исполнении двигателя камеры сгорания соседних цилиндров, с однонаправленным движением поршней, соединены между собой каналом.
Изобретение иллюстрировано:
Фиг.1 - вид А-А фиг.2, продольный разрез четырехцилиндрового двухтактного детонационного двигателя.
Фиг.2 - вид Б-Б фиг.1, поперечный разрез.
Фиг.3 - разрез В-В фиг.2.
Фиг.4 - турбинно-поршневой вариант четырехцилиндрового двухтактного детонационного двигателя, продольный разрез, совмещенный с видом.
Выполнение колена изогнутого вала в виде косого стакана, установленного на нем с помощью подвижного шлицевого соединения и расположение рабочих поверхностей косого стакана и связанного с ним наклонного вала по обе стороны от оси качания наклонного вала позволяет исключить осевые силы на наклонном и изогнутом валах и соответственно упростить конструкцию их опор и увеличить ресурс.
Использование для связи наклонного вала с косым стаканом и крестовиной самоустанавливающихся вкладыш позволяет исключить возникновение больших удельных давлений на кромках опор наклонного вала и, как следствие, повысить их ресурс.
Установка оппозитно и в противофазе имеющимся поршням, шатунам, крестовине шарнира неравных угловых скоростей, наклонному валу, косому стакану, таких же и связанных между собой таким же образом соответственно поршней, шатунов, крестовины шарнира неравных угловых скоростей, наклонного вала и косого стакана позволяет уменьшить угол наклона колена изогнутого вала, соответственно уменьшить скорость поршней и, как следствие, повысить ресурс цилиндропоршневой группы. Кроме того, такое конструктивное исполнение позволяет полностью уравновесить двигатель без использования дополнительных устройств в виде зубчатых колес.
Механизм ограничения давления в камерах сгорания позволяет без потерь преобразовать энергию сгорания рабочей смеси в полезную работу, а также увеличить ресурс двигателя.
Устройство регулирования степени сжатия позволяет обеспечить надежное самовоспламенение рабочей смеси в конце сжатия на всех режимах работы двигателя, в том числе и при пуске, и, как следствие, организовать устойчивую работу с компрессионным самовоспламенением рабочей смеси.
Использование подпоршневых полостей в качестве нагнетателя позволяет задействовать картерное пространство для системы смазки и тем самым увеличить ресурс двигателя, а выполнение паза и кольцевой выточки на изогнутом вале позволяет использовать золотниковую систему, что упрощает систему впуска в подпоршневую полость.
Выполнение впускных окон в два ряда в каждом цилиндре и соответственно раздельная их связь с подпоршневыми полостями этого цилиндра посредством трактов, а также расположение впускных окон связанных с трактом, в который подают топливо, последними от ВМТ и выполнение их с наклоном позволяет осуществлять продувку цилиндров без потерь рабочей смеси через выпускные окна и получать качественное смесеобразование внутри цилиндров и тем самым повысить экономичность двигателя.
При турбинно-поршневом исполнении двигателя выполнение выпускных трактов самодействующих выпускных клапанов, в виде соплового аппарата, жесткая связь компрессорной турбины с изогнутым валом и установка на нем, с помощью подшипников, тяговой турбины позволяет увеличить крутящий момент двигателя, вследствие чего на транспортных средствах отпадает необходимость применения коробки переключения передач, либо уменьшить число ее ступеней.
Возможность регулирования в механизме ограничения давления в камерах сгорания усилия сжатия упругих элементов или пружин самодействующих выпускных клапанов позволяет использовать различные виды топлива.
Изображенный на фиг.1-3 четырехцилиндровый двухтактный детонационный двигатель содержит корпус 1 с установленным на нем в подшипниках 2 изогнутым валом 3, колено которого выполнено в виде косого стакана 4 установленного на нем с помощью шлицев 5. Косой стакан 4 и связанный с ним наклонный вал 6 имеют рабочие поверхности по обе стороны от оси качания 7 крестовины 8. Самоустанавливающиеся вкладыши 9 связывают наклонный вал 6 с косым стаканом 4 и крестовиной 8. Цилиндры 10 размещены в корпусе 1, поршни 11 размещены в цилиндрах 10 и шарнирно связаны с головками шатунов 12, которые в свою очередь другими головками шарнирно связаны с крестовиной 8 шарнира неравных угловых скоростей. Оппозитно и в противофазе имеющимся поршням 11, шатунам 12, крестовине 8, наклонному валу 6, косому стакану 4, установлены такие же и связанные между собой таким же образом соответственно поршни 13, шатуны 14, крестовина 15, наклонный вал 16 и косой стакан 17. Подвижные кольца 18 установлены с возможностью перемещения на направляющих пальцах 19 и соответственно шарнирно связаны с крестовинами 8 и 15. Пружины 20 прижимают подвижные кольца 18 в сторону камеры сгорания. Гидроцилиндры 22 установлены в корпусе 1. Поршни 23 гидроцилиндров 22 взаимодействуют с подвижными кольцами 18, рабочие полости гидроцилиндров 22 связаны между собой и с полостью регулирующего гидроцилиндра 24. Винт 25 установлен в корпусе регулирующего гидроцилиндра 24 и взаимодействует одним концом с поршнем 26 регулирующего гидроцилиндра 24, а другим концом связан с исполнительным устройством 27. В подпоршневых полостях выполнены окна 28, а на изогнутовам вале 3 выполнены паз 29 и круговая выточка 30, напротив которых в корпусе выполнены впускные тракты 31. Рабочие полости соседних цилиндров, с однонаправленным движением поршней 11 или 13, соединены между собой каналом 32. Каждый из цилиндров 10 имеет выпускные окна 33 и два ряда впускных окон 34, которые раздельно связаны с подпоршневыми полостями посредством трактов 35.
Показанный на фиг.1-3 четырехцилиндровый двухтактный детонационный двигатель работает следующим образом: при вращении изогнутого вала 3 и косых стаканов 4 и 17, соответственно наклонные валы 6 и 16 совершает прецессию, а крестовины 8 и 15 совершают качательное движение, обеспечивая через шатуны 12 и 14 возвратно-поступательное движение поршней 11 и 13 в противофазе друг к другу. Возникающие при этом силы инерции полностью уравновешивают друг друга. При движении поршней 11 и 13 в сторону ВМТ, паз 29 изогнутого вала 3 открывает окна 28 и воздух через впускные тракты 31 поступает в подпоршневые полости, при этом в тракт 35, связанный с впускными окнами 34 последнего от ВМТ ряда, впрыскивают топливо. В это время в рабочих полостях цилиндров 10 происходит процесс сжатия рабочей смеси. В конце процесса сжатия происходит компрессионное самовоспламенение рабочей смеси, при этом поршни 11 и 13, шатуны 12 и 14, крестовины 8 и 15, наклонные валы 6 и 16, косые стаканы 4 и 17 и подвижные кольца 18 смещаются в сторону НМТ (далее смещение подвижных колец 18) и сжимают пружины 20. Величина смещения подвижных колец 18 зависит от степени расширения рабочего тела при сгорании и кинематического хода поршней 11 и 13. К примеру, в предлагаемом изобретении с рабочим объемом как у двигателя ВА3-2111, величина смещения подвижных колец 18 на номинальном режиме, по предварительным расчетам, составляет около 1 мм. В фазе рабочего хода энергия сжатия пружин 20 возвращается рабочему телу и происходит смещение подвижных колец 18 в исходное положение. Момент контакта подвижных колец 18 с поршнями 23 гидроцилиндров 22 сопровождается возникновением ударных нагрузок, которые демпфируются за счет некоторого сжимания жидкости в гидроцилиндрах 22. Для надежной работы двигателя начальная степень сжатия подбирается таким образом, чтобы самовоспламенение рабочей смеси происходило до прихода поршней 11 и 13 в ВМТ. Для этого усилие сжатия пружин 20 несколько больше усилия сжатия рабочей смеси необходимого для ее компрессионного самовоспламенения в конце сжатия. При движении поршней 11 и 13 в сторону НМТ, в фазе рабочего хода, происходит сжатие воздуха в подпоршневых полостях. После некоторого открытия выпускных окон 33 начинают открываться впускные окна 34 первого ряда, через которые в цилиндры 10 поступает продувочный воздух и начинается прямоточно-щелевая продувка. При открывании впускных окон 34 второго ряда, выполненных с наклоном, в цилиндры 10 поступает смесь воздуха с топливом, которая завихряется и интенсивно смешивается с продувочным воздухом образуя рабочую смесь. Такая двухступенчатая схема продувки -сначала воздухом, а после рабочей смесью, позволяет исключить потери рабой смеси в процессе продувки. Текущее значение степени сжатия зависит от температурного состояния двигателя. При уменьшении температуры двигателя, жидкость в гидроцилиндрах 22 сжимается и ее объем уменьшается, вследствие чего, пружины 20 смещают подвижные кольца 18 с поршнями 23 гидроцилиндров 22 в сторону ВМТ и степень сжатия увеличивается. При увеличении температуры двигателя жидкость в гидроцилиндрах 22 расширяется и ее объем увеличивается, вследствие чего, поршни 23 гидроцилиндров 22 смещают подвижные кольца 18 в сторону НМТ сжимая при этом пружины 20, соответственно степень сжатия уменьшается. Таким образом, происходит автоматическое регулирование степени сжатия в зависимости от температурного состояния двигателя, что особенно важно при пуске двигателя в условиях низких температур. Исполнительное устройство 27 обеспечивает, посредством поворота винта 25 в ту или другую сторону, определенное положение поршня 26 в регулирующем гидроцилиндре 24, преимущественно в зависимости от вида используемого топлива, может также использоваться зависимость и от других параметров (скоростного режима, нагрузки и др.) При перемещении поршня 26 в сторону исполнительного устройства 27, объем жидкости в гидроцилиндрах 22 уменьшается и соответственно степень сжатия увеличивается, при обратном движении поршня 26 степень сжатия уменьшается. Изменение положения поршня 26 может проводиться и в автономном режиме.
Изображенный на фиг.4 турбинно-поршневой вариант четырехцилиндрового двухтактного детонационного двигателя содержит самодействующие выпускные клапаны 36 с пружинами 37. Выпускной тракт самодействующих выпускных клапанов 36 выполнен в виде соплового аппарата 38. Компрессорная турбина 39 жестко связана с изогнутым валом 3, а тяговая турбина 40 установлена на нем с помощью подшипников 41. Этот двигатель содержит такое же устройство регулирования степени сжатия, что и двигатель, показанный на фиг.1-3, с той разницей, что содержит только одно подвижное кольцо 18 с упругим элементом в виде пружин 20, а гироцилиндры 22 односторонние.
Показанный на фиг.4 двигатель работает следующим образом: в конце процесса сжатия происходит компрессионное самовоспламенение рабочей смеси, при этом открываются самодействующие выпускные клапаны 36 и расширяющиеся газы устремляются с большой скоростью в сопловый аппарат 38 и воздействуют сначала на лопатки компрессорной турбины 39, обеспечивая вращение жестко связанного с ним изогнутого вала 3, а после на лопатки тяговой турбины 40 приводя ее во вращение. Для надежной работы двигателя начальная степень сжатия подбирается таким образом, чтобы самовоспламенение рабочей смеси происходило до прихода поршней 11 и 13 в ВМТ, а усилие сжатия пружин 37 было несколько больше усилия сжатия рабочей смеси необходимого для ее компрессионного самовоспламенения в конце сжатия. По мере снижения давления в камере сгорания самодействующие выпускные клапаны 36 закрываются под действием их пружин 37. Смещение подвижного кольца 18 в процессе сгорания не происходит, поскольку удельное усилие сжатия пружин 20 больше усилия сжатия пружин 37. Впуск воздуха в подпоршневые полости и продувка цилиндров 10, а также регулирование степени сжатия осуществляется как в двигателе показанном на фиг.1-3.