ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА
INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH HEAT RECOVERY

Изобретение относится к области двигателестроения, точнее к двигателям внутреннего сгорания с регенерацией тепла.
Известен двигатель внутреннего сгорания, например, по А.С. СССР №544759, МПК 2 Е02В 27/00, содержащий систему газораспределения для двигателя внутреннего сгорания, например выпускную. Эта система содержит основной трубопровод и подвижно установленный на нем насадок, при этом с целью повышения эффективности использования волновых эффектов на трубопроводе и насадке выполнены окна, и, по крайней мере, одна из сторон окна на трубопроводе ориентирована под углом к стороне насадки для измерения при относительном повороте положения совмещаемых частей окон. При этом основная часть механизма газообразования остается сложной и содержит клапаны, пружины, толкатели и распределительный вал, кинематически связанный с коленчатым валом.
Известен двигатель внутреннего сгорания по А.С. СССР №1236128, МПК F02B 27/00. Этот двигатель содержит систему резонансного наддува, содержащую впускной трубопровод с двумя диаметрально противоположными продольными окнами, подсоединенными к цилиндрам с несовпадающими фазами впуска, и подвижный насадок, установленный на впускном трубопроводе и выполненный с двумя диаметрально противоположными отражательными окнами, первая сторона которых ориентирована под углом к стороне соответствующего продольного окна, а в месте наложения отражательных окон на продольные выполнено проходное отверстие, при этом с целью улучшения амплитудно-фазовых параметров колебаний давления и снижения насосных потерь подвижный насадок выполнен с двумя дополнительными отражательными окнами, причем вторая сторона основных отражательных окон выполнена параллельно первой стороне, дополнительные отражательные окна совпадают по форме с основными отражательными окнами, а отношение суммарной площади сечений проходных отверстий к площади сечения впускного трубопровода равно 2…2,5.
Недостатки такие же, что и у предыдущего аналога.
Известен также двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2008457, МКП 5 F 02 и 27/00, который содержит выпускную систему, которая содержит выпускной трубопровод, подвижно установленный на трубопроводе насадок, причем выпускной трубопровод и насадок снабжены соответственно продольной и наклонной прорезями. В выпускном трубопроводе установлен поршень с возможностью осевого перемещения, причем в днище поршня выполнено углубление в виде конуса.
Известен двигатель внутреннего сгорания классической схемы, применяемый для автомобилей ВАЗ-2101, ВАЗ-2103 и т.п., описанный в книге Д.В. Кожейкина «Как самому починить автомобиль», «Фрегат», Челябинск, 1992, с.8. Этот двигатель содержит коленчатый вал, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси и систему выхлопа продуктов сгорания, по крайней мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем.
Недостатки: сложность конструкции и низкий КПД.
Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2176223, МПК F02G 3/02, опубл. 27/11/2001 г., прототип.
Этот двигатель содержит коленчатый вал с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, в свою очередь, содержащую систему впуска топливовоздушной смеси с дроссельной заслонкой, систему выхлопа продуктов сгорания с глушителем и, по меньшей мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем, систему жидкостного охлаждения, содержащую трубопроводы, насос и радиатор, и систему зажигания со свечами зажигания, установленными на каждом торце цилиндра
Недостатки прототипа - низкий КПД, конструктивная сложность и низкая надежность.
Задачи создания изобретения, совпадающие с техническим результатом, - повышение КПД и его надежности, упрощение конструкции и улучшение экологии.
Решение указанных задач достигнуто в двигателе внутреннего сгорания с регенерацией тепла, содержащий коленчатый вал с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, в свою очередь, содержащую систему впуска топливовоздушной смеси с дроссельной заслонкой, систему выхлопа продуктов сгорания с глушителем и, по меньшей мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем, систему жидкостного охлаждения, содержащую трубопроводы, насос и радиатор, и систему зажигания со свечами зажигания, установленными на каждом торце цилиндра, отличающийся тем, что в системе впуска топливовоздушной смеси установлены три теплообменника: первый, второй и третий, при этом вход первого теплообменника трубопроводом отбора подсоединен к входу в радиатор, а выход - трубопроводом возврата - к выходу из радиатора, вход второго теплообменника трубопроводом соединен с входом в глушитель, а выход  соединен трубопроводом с выходом из глушителя, вход третьего теплообменника соединен трубопроводом высокого давления с насосом, а выход соединен трубопроводом возврата с полостью поддона.
Между насосом и радиатором может быть установлен регулятор расхода, выполненный с возможностью полного закрывания. Двигатель может содержать блок управления. Двигатель может содержать датчик температуры воды, установленный после теплообменника, соединенный с блоком управления. Двигатель может содержать датчик углового положения дроссельной заслонки. Двигатель может содержать датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик угла поворота коленчатого вала, соединенные электрической связью с блоком управления. Двигатель может содержать датчик углового положения распределительного вала, соединенный электрическими связями с блоком управления. Двигатель может содержать датчик температуры атмосферного воздуха, соединенный электрической связью с блоком управления.
Сущность изобретения поясняется на чертежах Фиг.1…6, где:
на фиг.1 приведен вид с торца,
на фиг.2 приведен разрез А-А,
на фиг.3 приведен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания по В-В,
на фиг.4 приведен продольный разрез двигателя по Б-Б,
на фиг.5 приведена схема улучшенного варианта системы регенерации тепла,
на фиг.6 приведена схема двигателя с дополнительными датчиками.
Двигатель внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигатель) содержит (фиг.1…6), по меньшей мере, один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.
В дальнейшем описание изобретения приведено на примере двухцилиндрового четырехтактного двигателя. Тем не менее, изобретение распространяет свои права и на одноцилиндровый двигатель, а также на двигатели с любым числом цилиндров и с любым их расположением, например с V-образным расположением цилиндров. Также изобретение может быть применено в двухтактных двигателях, имеющих жидкостное охлаждение. Каждый поршень 2 имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно. Цилиндры 1 выполнены заодно с корпусом 5, имеющим поддон 6 и полость 7 для масла 7. Над цилиндрами 1 установлена головка цилиндров 8, между ними установлена прокладка 9.
Двигатель имеет коленчатый вал 10, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров 8.
Система газораспределения содержит систему впуска топливовоздушной смеси 11 с впускным патрубком 12, дросселем 13 и его приводом 14 и систему выпуска выхлопных газов 15 с глушителем 16 и распределительный вал 17 с кулачками 18.
Распределительный вал 17 установлены параллельно оси коленчатого вала 10. В головке цилиндров 8 выполнены впускные отверстия 19 с впускными клапанами 20 и выпускные отверстия 21 с выпускными клапанами 22. В цилиндрах 1 при работе образуются камеры сгорания 23.
Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 24, в которых установлены пальцы 25. Шатуны 24 имеют шатунные подшипники 26. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 27 и уплотнен уплотнениями 28. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 29.
В систему газораспределения входят ведущая звездочка 30 и ведомая звездочка 31 соединенные цепью (или ремнем) 32. Диаметр ведомой звездочки 30 в 2 раза больше диаметра ведущей звездочки 31. За два оборота коленчатого вала 10 распределительный вал 17 совершает всего один оборот (это относится только к четырехтактным двигателям).
Около бокового участка цепи 31 установлен натяжитель цепи 33, который имеет привод 34.
Кроме того, двигатель оборудован системой зажигания, которая содержит свечи зажигания 35 по числу цилиндров 1, соединенные высоковольтными проводами 36 с прерывателем 37. Двигатель содержит аккумулятор 38, предназначенный, в первую очередь, для обеспечения работы системы зажигания, который низковольтными проводами 39 соединен с прерывателем 37. Двигатель может быть оборудован блоком управления 40, который электрической связью 41 соединен с прерывателем 37.
В двигателе применена система жидкостного охлаждения. Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 42 для охлаждения цилиндров 1. Система охлаждения двигателя содержит полость 42, подводящий трубопровод 43, насос 44, промежуточный трубопровод 45, радиатор 46 и отводящий трубопровод 47. Против радиатора 47 установлен вентилятор 48.
Двигатель оборудован тремя системами регенерации тепла с тремя теплообменниками:
- первый теплообменник 49 для регенерации тепла охлаждающей жидкости,
- второй теплообменник 50 для регенерации тепла выхлопных газов,
- третий теплообменник 51 для регенерации тепла масла.
К входу в первый теплообменник 49 присоединен трубопровод отбора 52, другой конец которого соединен с входом в радиатор 46, а выход из первого теплообменника 49 трубопроводом 53 соединен с выходом из радиатора 46, т.е. первый теплообменник 49 и радиатор 46 соединены параллельно.
В подводящем трубопроводе 43 может быть установлен регулятор расхода 54 с приводом 55 (фиг.6). При этом регулятор расхода 54 может быть выполнен с возможностью полного закрывания для обеспечения 100-процентной регенерации тепла. В первой системе регенерации через первый теплообменник 49 циркулирует охлаждающая жидкость, например вода или антифриз. В первой системе регенерации, точнее за первым теплообменником 49, может быть установлен датчик температуры охлаждающей жидкости 56.
Вторая система регенерации содержит второй теплообменник 50, к входу которого присоединен подающий трубопровод 57, вход которого соединен со входом в глушитель 16. К выходу из второго теплообменника 50 присоединен трубопровод возврата 58, другой конец которого соединен с выходом из глушителя 16.
Третья система регенерации содержит фильтр 59, трубопровод отбора 60 и маслонасос 61, к выходу которого присоединен трубопровод высокого давления 62, а выход из которого соединен с третьим теплообменником 51, выход из которого трубопроводом возврата 63 соединен с полостью 7 для масла.
Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 64, датчиком углового положения коленчатого вала 65, датчиком числа оборотов коленчатого вала 66 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения распределительного вала 67, соединенными электрическими связями 42 с блоком управления 41.
Двигатель может быть оборудован датчиком давления в цилиндре 98.
Двигатель может быть оборудован датчиком углового положения дроссельной заслонки 69 и датчиком разрежения за дроссельной заслонкой 70. Датчики 69 и 70 электрическими связями 41 соединены с блоком управления 40 (фиг.5). Это позволит скорректировать опережение зажигания при работе с минимальной нагрузкой на высоких оборотах коленчатого вала 10 для экономии топлива.
Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком температуры атмосферного воздуха 71, установленным, например, на входе в впускной патрубок 12.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
Работает двигатель следующим образом.
Двигатель запускается стартером (на фиг.1…6 не показано).
Топливовоздушная смесь подается из впускного патрубка 12 по системе впуска топливовоздушной смеси 11 (Фиг.3), через впускные отверстия 19 при открытом впускном клапане 20 поступает в камеру сгорания 23.При этом первый поршень 2 находится в верхней мертвой точке ВМТ и начинает движение вниз, работая в режиме впуска топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания 23 первого цилиндра 1. Система выхлопа 15 первого цилиндра 1 в это время закрыта. В это же время для второго цилиндра 1 впускное отверстие 19 закрыто впускным клапаном 20. Продукты сгорания из второго цилиндра 1 поступают в систему выхлопа 15 и глушитель 16 через выпускное отверстие 21 при открытом впускном клапане 22. После того, как коленчатый вал 10 совершит пол-оборота, произойдет сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания 23 первого цилиндра 1, и блок управления 40 по электрической связи 41 подает сигнал на прерыватель 37, в котором формируется электрический импульс, который по высоковольтному проводу 36 подается на свечу зажигания 35 первого цилиндра 1 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси. И так циклы повторяются. Цилиндры 1 нагреваются до температуры 500…700°C, и без охлаждения двигатель неработоспособен.
Наиболее эффективно жидкостное охлаждение. Для этого вокруг всех цилиндров 1 сформирована полость 42, заполненная охлаждающей жидкостью. Нагретая охлаждающая жидкость отбирается из полости 42 трубопроводом отбора 43 и насосом 44 через промежуточный трубопровод 45 подается в радиатор 46, где охлаждается воздухом, подаваемым вентилятором 48, и возвращается в полость 42 по отводящему трубопроводу 47. В существующих схемах это тепло не используется. В предложенном двигателе охлаждающая жидкость отбирается трубопроводом отбора 52 и подается в первый теплообменник 49, где охлаждается, нагревая при этом воздух, идущий в коллекторе впуска 12 для образования топливовоздушной смеси. Далее охлажденная охлаждающая жидкость подается в трубопровод возврата 47 после радиатора 46. В результате все тепло или его часть утилизируется. Для полной утилизации тепла следует при помощи привода 55 полностью перекрыть регулятор расхода 54 (фиг.5). Но это невозможно на всех режимах, т.к. может привести к перегреву двигателя. Для этого датчик температуры охлаждающей жидкости 56 контролирует ее температуру и при превышении допустимой 95…100°C открывает регулятор расхода 54 и подает часть охлаждающей жидкости в радиатор. По этой причине нельзя полностью отказаться от применения радиатора 47. Кроме того, размеры первого теплообменника 49 для полной утилизации тепла на всех режимах были бы очень велики.
Часть выхлопных газов отбирается перед глушителем 16 и по трубопроводу отбора выхлопных газов 57 и подается во второй теплообменник 50, где отдает большую часть пепла топливовоздушной смеси в системе впуска 11 и возвращается по трубопроводу возврата выхлопных газов для сброса за глушителем 16.
Масло, отбираемое из полости 7 через фильтр 59, трубопровод отбора 60 и маслонасос 61 далее по трубопровод высокого давления 62, поступает в третий теплообменник 51 и трубопроводом возврата 63 возвращается обратно в полость 7 для масла.
В результате масло охлаждается, а воздух, предназначенный для образования ТВС, нагревается дополнительно.
Датчик частоты вращения коленчатого вала 64 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик числа оборотов коленчатого вала 65 - общее число оборотов, а датчик углового положения коленчатого вала 66 постоянно измеряет угловое положение коленчатого вала 10, и в зависимости от этих показателей блок управления 40 подает команды на прерыватель 37 для подачи импульса на свечи зажигания 35
Кроме того, датчик углового положения 67 распределительного вала 17 определяет истинное угловое положение распределительного вала 17, которое может, во-первых, не соответствовать угловому положению коленчатого вала 10, во вторых, расходиться и между собой, например при вытяжке цепи 32 или ее проскальзывании относительно звездочек 30 и 31, и блок управления 40 вносит коррекцию в угол опережения зажигания в соответствии с истинным положением распределительного вала 17, а не в соответствии с положением коленчатого вала 10.
Контроль температуры атмосферного воздуха датчиком температуры атмосферного воздуха 71 позволит исключить перегрев двигателя, например, при работе двигателя в относительно жаркое время года и позволит корректировать опережение зажигания и одновременно приоткрывать регулятор расхода 54 для активизации радиатора 46.
Предложенное техническое решение позволит более четко подавать импульсы на свечи зажигания 35 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 17. Кроме того, при вытягивании цепи 32 или ее проскальзывании относительно ведомой звездочки 31 осуществляется коррекция момента опережения зажигания.
Корректирование момента опережения зажигания осуществляется и в зависимости от температуры атмосферного воздуха, определяемой датчиком температуры 71. При увеличении температуры момент опережения зажигания увеличивается и наоборот.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить КПД двигателя на 15…20% за счет более полной утилизации тепла, уходящего в атмосферу в традиционных системе охлаждения двигателя, в выхлопных газах и маслосистеме одновременно. При этом возможна практически полная утилизации этого тепла (регенерация) при выполнении теплообменников большой эффективности и использовании регулятора расхода, выполненного с возможностью полного закрывания.
2. Оптимально настраивать угол опережения зажигании в зависимости от множества внешних факторов и режима работы двигателя за счет применении датчиков.
3. Контролировать отказ системы зажигания в одном из цилиндров за счет применения датчика давления в цилиндре.
4. Контролировать износ поршневой группы за счет применения того же датчика.
5. Исключить перегрев двигателя за счет применения регулятора расхода и контроля температуры атмосферного воздуха и охлаждающей жидкости после теплообменника и в полости около цилиндров.
3. Повысить надежность и ресурс системы за счет исключения влияния регулировок и износа деталей механизма газораспределения.