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 E02B 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 насадка для измерения при относительном повороте положения совмещаемых частей окон. При этом основная часть механизма газообразования остается сложной и содержит клапана, 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 F02B 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 ВА3-2101, ВА3-2103 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 №2176323, МПК F02G 3/00, опубл.27.11.2001 г., прототип.
Техническим результатом этого изобретения является повышение коэффициента полезного действия (КПД) двигателя за счет: снижения работы сжатия воздуха, повышения работы расширения рабочих газов, применения бесшатунного преобразователя возвратно-поступательных движений поршня во вращение выходного вала и регенерации тепла выхлопных газов. Сущность этого изобретения заключается в том, что осуществляют ступенчатое сжатие воздуха с одновременным понижением (отводом) его температуры и ступенчатое расширение рабочих газов за счет дополнительного впрыска топлива. Тепло выхлопных газов используют для нагрева сжатого воздуха. Ступенчатое сжатие воздуха и ступенчатое расширение рабочих газов приближает выполнение тактов работы двигателя к изотермическому процессу и тем самым приводит к повышению КПД и снижению расхода топлива.
Признаки, общие заявленного объекта и прототипа: цилиндр, поршень, коленчатый вал и система регенерации тепла.
Недостатки прототипа - конструктивная сложность системы регенерации и низкая эффективность регенеративного процесса, а также большие габариты теплообменника регенерации из-за использования двух газовых сред: воздуха и продуктов сгорания.
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, содержащем 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 радиатор с насосом, и систему зажигания со свечей зажигания, установленной на каждом торце цилиндра, тем, что согласно изобретению в системе впуска топливовоздушной смеси установлен теплообменник, вход которого трубопроводом отбора подсоединен к входу в глушитель, а выход - трубопроводом возврата к выходу из глушителя. В трубопроводе отбора между глушителем и теплообменником установлен регулятор расхода.
Двигатель может содержать блок управления. Двигатель может содержать датчик температуры воздуха 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 Фиг.1…7, 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,
на фиг.7 приведена циклограмма работы двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигатель) содержит (фиг.1…7), 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 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 - ТВС 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 установлен 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 42. Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 43 для охлаждения цилиндров 1. Система охлаждения двигателя содержит полость 43, отводящий трубопровод 44, насос 45, промежуточный трубопровод 46, радиатор 47 и подводящий трубопровод 48. Кроме того, в систему охлаждения входит вентилятор 49 с приводом 50. Привод 50 соединен с аккумулятором 38 и блоком управления 40. В системе охлаждения циркулирует охлаждающая жидкость, например вода или антифриз.
Двигатель оборудован системой регенерации тепла выхлопных газов, которая содержит теплообменник 51. К входу из глушителя 16 присоединен трубопровод отбора 52, другой конец которого соединен с входом в теплообменник 51, а выход из теплообменника 51 трубопроводом 53 соединен с выходом из глушителя 16, т.е. теплообменник 51 и радиатор 47 соединены параллельно. После теплообменника 51 установлен датчик температуры воды (на чертежах не показан), соединенный с блоком управления 40.
Система регенерации тепла может быть оборудована регулятором расхода 54 с приводом 55 (фиг.5) для предотвращения перегрева ТВС и двигателя. Привод 55 соединен с блоком управления 40 и аккумулятором 38.
Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 56, датчиком углового положения коленчатого вала 57, датчиком числа оборотов коленчатого вала 58 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения распределительного вала 59, соединенными электрическими связями 41 с блоком управления 40.
Двигатель может быть оборудован датчиком углового положения дроссельной заслонки 60 и датчиком разрежения за дроссельной заслонкой 61. Датчики 60 и 61 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. 4
Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком температуры атмосферного воздуха 62, установленным, например, на входе во впускной патрубок 12, и датчиком температуры топливовоздушной смеси 63.
Порядок работы цилиндров и импульсы энергии показаны на фиг.7 поз.64.
РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ
Работает двигатель следующим образом.
Двигатель запускается стартером (на фиг.1…7 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 полоборота, 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 подает 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°С и без охлаждения двигатель неработоспособен.
Для этого применена система охлаждения 42. Наиболее эффективно жидкостное охлаждение. Для этого вокруг всех цилиндров 1 сформирована полость 43, заполненная охлаждающей жидкостью. Нагретая охлаждающая жидкость отбирается из полости 43 трубопроводом отбора 44 и насосом 45 через промежуточный трубопровод 46 подается в радиатор 47, где охлаждается воздухом.
В предложенном двигателе часть выхлопных газов отбирается трубопроводом отбора 52 и подается в теплообменник 51, где охлаждается, нагревая при этом воздух, поступающий из атмосферы в коллектор впуска 12. Далее охлажденные выхлопные газы подаются в трубопровод подачи 52 и возвращаются в систему выхлопа 15 после глушителя 16. В результате часть тепла выхлопных газов утилизируется. Для полной утилизации тепла теплообменник 51 должен иметь очень большие габариты, что нецелесообразно. Чтобы исключить перегрев двигателя на некоторых режимах, и особенно при высоких температурах атмосферного воздуха, датчик температуры атмосферного воздуха 63 контролирует его температуру и при превышении допустимой примерно 95…100°C по команде с блока управления 55 открывает регулятор расхода 54 и уменьшает расход выхлопных газов через теплообменник 51.
Датчик частоты вращения коленчатого вала 57 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик числа оборотов коленчатого вала 58 - общее число оборотов, а датчик углового положения коленчатого вала 59 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 60 распределительного вала 17 определяет истинное угловое положение распределительного вала 17, которое может, во-первых, не соответствовать угловому положению коленчатого вала 10, во-вторых, может расходиться и между собой, например, при вытяжке цепи 32 или ее проскальзывании относительно звездочек 30 и 31, 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 62 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 снижения температуры ТВС.
Предложенное техническое решение позволит более четко подавать импульсы на свечи зажигания 35 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 10. 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 воздуха 62. При увеличении температуры момент опережения зажигания увеличивается и наоборот.
Порядок работы цилиндров на примере первого цилиндра 1 показан на фиг.7. Поз. 64 обозначает импульс энергии на свече зажигания 35 первого цилиндра 1. Первый импульс соответствует моменту опережения зажигания.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить КПД двигателя на 7…10% за счет более полной утилизации тепла, уходящего в атмосферу с выхлопными газами. При этом полная утилизация этого тепла (регенерация) возможна только теоретически.
2. Исключить перегрев двигателя за счет применения регулятора расхода отбираемых выхлопных газов и контроля температуры атмосферного воздуха и охлаждающей жидкости.
3. Повысить надежность и ресурс системы за счет исключения влияния регулировок и износа деталей механизма газораспределения.