Четырехтактный дизельный двигатель с внешней камерой сгорания
FOUR-STROKE DIESEL ENGINE WITH EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

Область применения.
Изобретение относится к двигателестроению, а именно к многотопливным дизельным двигателям, позволяет рекуперировать тепловую энергию выхлопных газов для обеспечения лучшей топливной эффективности,
Уровень техники.
Известен дизельный двигатель - поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу самовоспламенения распыленного топлива от воздействия разогретого при сжатии воздуха. Спектр видов топлива для дизельных двигателей весьма широк, сюда включаются все фракции нефтеперегонки от керосина до мазута и ряд продуктов природного происхождения - рапсовое масло, фритюрный жир, пальмовое масло и многие другие. Дизельный двигатель может с определенным успехом работать и на сырой нефти. (Дизельный двигатель, https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B7%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C, опубликовано 26.09.2005.) [1].
Существуют несколько типов дизельных моторов, различие между которыми заключено в конструкции камеры сгорания. В дизелях с нераздельной камерой сгорания топливо впрыскивается в надпоршневое пространство, а камера сгорания выполнена в поршне. Непосредственный впрыск применяется на низкооборотных двигателях большого рабочего объема.
Наиболее распространенным является другой тип дизеля - с раздельной камерой сгорания. Впрыск топлива осуществляется не в цилиндр, а в дополнительную камеру. Обычно применяется вихревая камера, выполненная в головке блока цилиндров и соединенная с цилиндром специальным каналом так, чтобы при сжатии воздух, попадая в вихревую камеру, интенсивно закручивался, что улучшает процесс самовоспламенения и смесеобразования. Самовоспламенение начинается в вихревой камере, а затем продолжается в основной камере сгорания. (Дизельный двигатель. Устройство и как они работают. https://amastercar.ru/articles/engine car 32.shtml; опубликовано 7 марта 2 008 г.) [2].
Также известен нефтяной двигатель (также керосиновый двигатель, двигатель с калильной головкой, калоризаторный двигатель, полудизель) - двигатель внутреннего сгорания, воспламенение топлива в котором происходит в специальной калильной головке - калоризаторе. Двигатель может работать на различных видах топлива: керосине, лигроине, дизельном топливе, сырой нефти, растительном масле и т.д. Основной особенностью данного типа двигателей является калильная головка (калоризатор). Перед запуском двигателя калоризатор должен быть нагрет до высокой температуры - например, при помощи паяльной лампы. При работе двигателя в ходе такта впуска в калильную головку через форсунку подается топливо, где сразу же испаряется, однако не воспламеняется, так как калильная головка в момент срабатывания форсунки заполнена отработавшими газами и в ней недостаточно кислорода для поддержания горения топлива. Лишь незадолго до того, как поршень придет в верхнюю мертвую точку, в головку из цилиндра поступает богатый кислородом сжатый поршнем свежий воздух, в результате чего пары топлива воспламеняются. (Нефтяной двигатель. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%Dl%84%Dl%82%Dl%8F%D0%BD%D0%BE%Р0%B9%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C; опубликовано 13 октября 2 012 г.) [3].
Характерной чертой всех указанных типов двигателей является то, что воспламенение топлива происходит за счет энергии сжатого воздуха от сжатия в обычных дизелях и от накаливания калильной головки от внешнего источника тепла в нефтяных двигателях. Энергия выхлопных газов рассеивается в атмосфере и не используется для генерации полезной работы двигателем.
Исходя из уровня техники, существует потребность в дизельных двигателях, которые позволяют использовать энергию выхлопных газов для ускорения процесса воспламенения, более быстрого' и полного сгорания топлива в цилиндрах.
Технической проблемой заявленного изобретения является интенсификация процесса горения, повышение полноты сгорания и увеличение мощности четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.
Техническим результатом является создание четырехтактного дизельного двигателя с внешней камерой сгорания, рекуперирующего тепловую энергию выхлопных газов, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, заключающимися в увеличении мощности и улучшении экологических показателей двигателя.
Наиболее близким аналогом является нефтяной двигатель [3], однако данный тип двигателя не является полностью автономным, требует предпусковой подготовки для нагревания калильной головки от внешнего источника тепла, обладает низкой степенью сжатия, соответственно низким КПД по сравнению с аналогами.
Заявляемый двигатель предполагает размещение камеры сгорания внутри регенератора тепловой энергии. Регенератор представляет собой расширение выхлопного коллектора, который включает в себя часть внешней камеры сгорания, часть соединительного канала, соединяющего камеру сгорания с цилиндром. При данной схеме камера сгорания накаляется от энергии выхлопных газов, в результате ускоряется воспламенение и горение топлива, также улучшаются требования к качеству топлива. Дополнительным эффектом является то, что сжимаемый воздух до воспламенения согревается до высоких температур от стен внешней камеры сгорания и накапливает потенциальную энергию для расширения при рабочем такте, что приводит к увеличению мощности двигателя. Схема с внешней камерой сгорания и соединительным каналом позволяет увеличить траекторию движения и время сгорания топливовоздушной смеси, также смягчает удар топливовоздушной смеси по поршням, в результате уменьшается шумность, улучшается плавность работы дизельного двигателя.
Сущность изобретения.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в четырехтактном дизельном двигателе внутреннего сгорания по варианту 1, содержащему блок цилиндров, рабочий цилиндр, поршень, впускной коллектор, впускной клапан, выпускной коллектор, выпускной клапан, внешнюю камеру сгорания, соединительный канал между внешней камерой сгорания и цилиндром, регенератор, форсунку, свечу накаливания, согласно изобретению внешняя камера сгорания и часть соединительного канала расположены в регенераторе, при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов,
Заявляемый технический результат достигается тем, что в четырехтактном дизельном двигателе внутреннего сгорания по варианту 2, содержащему блок цилиндров, рабочий цилиндр, поршень, впускной коллектор, впускной клапан, выпускной коллектор, выпускной клапан, внешнюю камеру сгорания, соединительный канал между внешней камерой сгорания и цилиндром, регенератор, форсунку, свечу накаливания, согласно изобретению внешняя камера сгорания и часть соединительного канала расположены в регенераторе, при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов, при этом впускной коллектор соединен с внешней камерой сгорания, при этом впускной клапан установлен во внешней камере сгорания.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в четырехтактном дизельном двигателе внутреннего сгорания по варианту 3, содержащему блок цилиндров, рабочий цилиндр, поршень, впускной коллектор, впускной клапан, выпускной коллектор, выпускной клапан, внешнюю камеру сгорания, соединительный канал между внешней камерой сгорания и цилиндром, регенератор, форсунку, свечу накаливания, согласно изобретению внешняя камера сгорания и часть соединительного канала расположены в регенераторе, при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов, при этом выпускной коллектор соединен с внешней камерой сгорания, при этом выпускной клапан установлен во внешней камере сгорания.
Раскрытие изобретения.
Изобретение поясняется чертежами и описанием к ним.
Фигура 1. Схема четырехтактного дизельного двигателя с внешней камерой сгорания по варианту 1.
Фигура 2. Схема четырехтактного дизельного двигателя с внешней камерой сгорания по варианту 2.
Фигура 3. Схема четырехтактного дизельного двигателя с внешней камерой сгорания по варианту 3.
Перечень позиций для фиг. 1.
1 блок цилиндров;
2 цилиндр;
3 поршень
4 впускной коллектор;
5 впускной клапан;
6 выпускной коллектор;
7 выпускной клапан;
8 внешняя камера сгорания;
9 соединительный канал;
10 винтовые канавки;
11 регенератор;
12 форсунка;
13 свеча накаливания;
Перечень позиций для фиг. 2.
1 блок цилиндров;
2 цилиндр;
3 поршень
4 впускной коллектор;
5 впускной клапан;
6 выпускной коллектор;
7 выпускной клапан;
8 внешняя камера сгорания;
9 соединительный канал;
10 винтовые канавки;
11 регенератор;
12 форсунка;
13 свеча накаливания;
Перечень позиций для фиг. 3.
1 блок цилиндров;
2 цилиндр;
3 поршень
4 впускной коллектор;
5 впускной клапан;
6 выпускной коллектор;
7 выпускной клапан;
8 внешняя камера сгорания;
9 соединительный канал;
10 винтовые канавки;
11 регенератор;
12 форсунка;
13 свеча накаливания.
Осуществление изобретения.
Заявляемый четырехтактный двигатель по варианту 1 (фиг. 1) состоит из блока цилиндров (1), в котором расположен цилиндр (2) с поршнем цилиндра (3), впускного коллектора (4); впускного клапана (5); выпускного коллектора (6); выпускного клапана (7), внешней камеры сгорания (8); соединительного канала (9) с винтовыми канавками (10), регенератора (11), форсунки (12); свечи накаливания (13).
Регенератор (11) представляет собой расширение выхлопного коллектора (6), который включает в себя часть внешней камеры сгорания (8) и часть соединительного канала (9). Регенератор (11) служит для направления потоков выхлопных газов на внешнюю камеру сгорания (8) и соединительный канал (9) для теплообмена: остатки горючих материалов в выхлопных газах догорают в регенераторе (11) и дополнительно согревают внешнюю камеру сгорания (8) и соединительный канал (9).
Внешняя камера (8) сгорания отделена от цилиндра (2) и соединена с ним непосредственно соединительным каналом (9). При этом соединительный канал (9) имеет внутренние винтовые канавки (10) для обеспечения завихрения газов.
Заявляемый четырехтактный двигатель по варианту 2 (фиг. 2) состоит из блока цилиндров (1), в котором расположен цилиндр (2) с поршнем цилиндра (3), впускного коллектора (4); впускного клапана (5); выпускного коллектора (6); выпускного клапана (7), внешней камеры сгорания (8); соединительного канала (9) с винтовыми канавками (10), регенератора (11), форсунки (12); свечи накаливания (13).
Регенератор (11) представляет собой расширение выхлопного коллектора (6), который включает в себя часть внешней камеры сгорания (8) и часть соединительного канала (9). Регенератор (11) служит для направления потоков выхлопных газов на внешнюю камеру сгорания (8) и соединительный канал (9) для теплообмена: остатки горючих материалов в выхлопных газах догорают в регенераторе (11) и дополнительно согревают внешнюю камеру сгорания (8) и соединительный канал (9).
Внешняя камера (8) сгорания отделена от цилиндра (2) и соединена с ним непосредственно соединительным каналом (9). При этом соединительный канал (9) имеет внутренние винтовые канавки (10) для обеспечения завихрения газов.
Впускной коллектор (4) соединен с внешней камерой сгорания (8), при этом впускной клапан (5) установлен во внешней камере сгорания (8).
Заявляемый четырехтактный двигатель по варианту 3 (фиг. 3) состоит из блока цилиндров (1), в котором расположен цилиндр (2) с поршнем цилиндра (3), впускного коллектора (4); впускного клапана (5); выпускного коллектора (6); выпускного клапана (7), внешней камеры сгорания (8); соединительного канала (9) с винтовыми канавками (10), регенератора (11), форсунки (12); свечи накаливания (13).
Регенератор (11) представляет собой расширение выхлопного коллектора (6), который включает в себя часть внешней камеры сгорания (8) и часть соединительного канала (9). Регенератор (11) служит для направления потоков выхлопных газов на внешнюю камеру сгорания (8) и соединительный канал (9) для теплообмена: остатки горючих материалов в выхлопных газах догорают в регенераторе (11) и дополнительно согревают внешнюю камеру сгорания (8) и соединительный канал (9).
Внешняя камера (8) сгорания отделена от цилиндра (2) и соединена с ним непосредственно соединительным каналом (9). При этом соединительный канал (9) имеет внутренние винтовые канавки (10) для обеспечения завихрения газов.
Выпускной коллектор (6) соединен с внешней камерой сгорания (8), при этом выпускной клапан (7) установлен во внешней камере сгорания (8).
Работа.
Заявляемый четырехтактный двигатель по варианту 1 работает следующим образом,
При такте впуска открывается выпускной клапан (5), поршень (3) двигаясь вниз к нижней мертвой точке засасывает воздух в цилиндр (2) через впускной коллектор (4). При такте сжатия закрывается впускной клапан (5), поршень (3) движется от нижней мертвой точки вверх к верхней мертвой точке. Воздух сжимается в соединительном канале (9) и внешней камере сгорания (8) и нагревается от сжатия. Свеча накаливания (13) дополнительно нагревает сжатый воздух для ускорения воспламенения топлива при пуске двигателя. При достижении поршнем (3) верхней мертвой точки форсунка (12) впрыскивает топливо во внешнюю камеру сгорания (8), происходит воспламенение и сгорание топлива: начинается рабочий такт. Поршень (3) под давлением расширяющихся от сгорания газов толкается вниз к нижней мертвой точке. При достижении поршнем (3) нижней мертвой точки открывается выпускной клапан (7), поршень (3) начинает двигаться вверх к верхней мертвой точке, начинается такт выпуска: продукты сгорания выталкиваются поршнем (3) из цилиндра (2) и покидают его посредством выпускного коллектора (6). В конце такта выпуска выпускной клапан (7) закрывается. Продукты сгорания при высокой температуре поступают в регенератор (11) в котором заключены внешняя камера сгорания (8) и часть соединительного канала (9). От температуры выхлопных газов происходит накаливание внешней камеры сгорания (8) после этого выключается свеча накаливания (13). При следующих циклах высокая температура внешней камеры сгорания (8) способствует быстрому нагреванию воздуха, его большему расширению и лучшему сгорания топлива, также ускоряется испарение топлива и улучшается перемешивание молекул топлива с молекулами воздуха для более качественного сгорания. Внешняя камера сгорания (8) уравновешивает ударные волны от неравномерного воспламенения топлива, расширяющиеся газы плавно переходят по соединительному каналу в цилиндр, равномерно распределяя давление по поверхности поршня (3). Винтовые канавки (10) в соединительном канале придают вращательное движение газам для лучшего перемешивания топлива с воздухом.
Заявляемый двигатель по варианту 2 работает следующим образом. При такте впуска открывается выпускной клапан (5), поршень (3) двигаясь вниз к нижней мертвой точке засасывает воздух в цилиндр (2) через впускной коллектор (4). При такте сжатия закрывается впускной клапан (5), поршень (3) движется от нижней мертвой точки вверх к верхней мертвой точке. Воздух сжимается в соединительном канале (9) и внешней камере сгорания (8) и нагревается от сжатия. Свеча накаливания (13) дополнительно нагревает сжатый воздух для ускорения воспламенения топлива при пуске двигателя. При достижении поршнем (3) верхней мертвой точки форсунка (12) впрыскивает топливо во внешнюю камеру сгорания (8), происходит воспламенение и сгорание топлива: начинается рабочий такт. Поршень (3) под давлением расширяющихся от сгорания газов толкается вниз к нижней мертвой точке. При достижении поршнем (3) нижней мертвой точки открывается выпускной клапан (7), поршень (3) начинает двигаться вверх к верхней мертвой точке, начинается такт выпуска: продукты сгорания выталкиваются поршнем (3) из цилиндра (2) и покидают его посредством выпускного коллектора (6). В конце такта выпуска выпускной клапан (7) закрывается. Продукты сгорания при высокой температуре поступают в регенератор (11) в котором заключены внешняя камера сгорания (8) и часть соединительного канала (9). От температуры выхлопных газов происходит накаливание внешней камеры сгорания (8) после этого выключается свеча накаливания (13). При следующих циклах высокая температура внешней камеры сгорания (8) способствует быстрому нагреванию воздуха, его большему расширению и лучшему сгорания топлива, также ускоряется испарение топлива и улучшается перемешивание молекул топлива с молекулами воздуха для более качественного сгорания. Внешняя камера сгорания (8) уравновешивает ударные волны от неравномерного воспламенения топлива, расширяющиеся газы плавно переходят по соединительному каналу в цилиндр, равномерно распределяя давление по поверхности поршня (3). Винтовые канавки (10) в соединительном канале придают вращательное движение газам для лучшего перемешивания топлива с воздухом. Установка впускного коллектора (4) и впускного клапана (5) во внешней камере сгорания (8) способствует охлаждению впускного клапана (5) от потока входящего воздуха. Такая схема также способствует лучшему очищению камеры сгорания при позднем закрытии выпускного клапана (7) и применении системы наддува воздуха.
Заявляемый двигатель по варианту 3 работает следующим образом.
При такте впуска открывается выпускной клапан (5), поршень (3) двигаясь вниз к нижней мертвой точке засасывает воздух в цилиндр (2) через впускной коллектор (4). При такте сжатия закрывается впускной клапан (5), поршень (3) движется от нижней мертвой точки вверх к верхней мертвой точке. Воздух сжимается в соединительном канале (9) и внешней камере сгорания (8) и нагревается от сжатия. Свеча накаливания (13) дополнительно нагревает сжатый воздух для ускорения воспламенения топлива при пуске двигателя. При достижении поршнем (3) верхней мертвой точки форсунка (12) впрыскивает топливо во внешнюю камеру сгорания (8), происходит воспламенение и сгорание топлива: начинается рабочий такт. Поршень (3) под давлением расширяющихся от сгорания газов толкается вниз к нижней мертвой точке. При достижении поршнем (3) нижней мертвой точки открывается выпускной клапан (7), поршень (3) начинает двигаться вверх к верхней мертвой точке, начинается такт выпуска: продукты сгорания выталкиваются поршнем (3) из цилиндра (2) и покидают его посредством выпускного коллектора (6). В конце такта выпуска выпускной клапан (7) закрывается. Продукты сгорания при высокой температуре поступают в регенератор (11) в котором заключены внешняя камера сгорания (8) и часть соединительного канала (9). От температуры выхлопных газов происходит накаливание внешней камеры сгорания (8) после этого выключается свеча накаливания (13). При следующих циклах высокая температура внешней камеры сгорания (8) способствует быстрому нагреванию воздуха, его большему расширению и лучшему сгорания топлива, также ускоряется испарение топлива и улучшается перемешивание молекул топлива с молекулами воздуха для более качественного сгорания. Внешняя камера сгорания (8) уравновешивает ударные волны от неравномерного воспламенения топлива, расширяющиеся газы плавно переходят по соединительному каналу в цилиндр, равномерно распределяя давление по поверхности поршня (3). Винтовые канавки (10) в соединительном канале придают вращательное движение газам для лучшего перемешивания топлива с воздухом. Установка выпускного коллектора (6) и впускного клапана (7) во внешней камере сгорания (8) способствует более быстрому нагреванию регенератора быстрому вводу двигателя в нормальный рабочий режим при холодном пуске. Такая схема также способствует лучшему очищению камеры сгорания при позднем закрытии выпускного клапана (7) и применении системы наддува воздуха.
Заявляемый двигатель по вариантам 1, 2, 3 подвержен более высоким колебаниям уровня компрессии в зависимости от режимов работы двигателя. При холодном пуске двигателя регенератор (11) и внешняя камера сгорания (8) не способствуют расширению воздуха, поэтому компрессия осуществляется только за счет сжатия воздуха поршнем (3) и частично от тепла свечи накаливания (13). После запуска происходит постепенное нагревание внешней камеры сгорания (8), что способствует быстрому нагреву воздуха и росту внутреннего давления. Степень сжатия для данных двигателей вычисляется по следующей формуле с учетом объемов соединительного канала и внешней камеры сгорания:
1
2
3
2
3
С = (V + V + V) / (V + V), где:
1
V - объем рабочего цилиндра (2) между нижней и верхней мертвыми точками;
2
V - объем соединительного канала (9);
3
V - объем внешней камеры сгорания (8);
С - степень сжатия.
В результате отделения внешней камеры сгорания (8) от цилиндра (2) и его установки в регенераторе (11) увеличивается траектория движения топливовоздушной смеси, следовательно более полное сгорание топлива во время рабочего такта: производится больше полезной работы, уменьшается расход топлива, улучшаются экологические показатели, а также благодаря сильному нагреву камеры сгорания происходит более интенсивное расширение газов, ускоряется воспламенение топлива и уменьшается требование к качеству топлива, благодаря чему становится возможным использование различных типов топлива.
Промышленная применимость.
Заявляемый четырехтактный дизельный двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания (варианты 1, 2, 3) найдет применение в производстве механизмов, агрегатов, транспортных средств, приводимых в движение двигателями внутреннего сгорания.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ,
1. Дизельный двигатель. Интернет-ресурс
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%B7%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C Дата опубликования 26.09.2005.
2. Дизельный двигатель. Устройство и как они работают.Интернет-ресурс
https://amastercar.ru/articles/engine car 32.sh.tml Дата опубликования 7 марта 2 008 г.
3. Нефтяной двигатель. Интернет-ресурс
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B5%D1%84%D1%82%D1%8F%D0%BD%D0%BE%D0%B9%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8С Дата опубликования 13 октября 2012 г.