ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ МЕНЬШОВА
MENSHOV INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть применено на транспорте, в сельскохозяйственных и дорожных машинах, в стационарных силовых установках.
2
Известен двигатель внутреннего сгорания (дизель), работающий по четырехтактному циклу, содержащий по меньшей мере один цилиндр, в котором перемещается поршень, соединенный шатуном с кривошипом коленчатого вала. Поршень совершает возвратно-поступательное движение, коленчатый вал - вращательное. Одному обороту коленчатого вала соответствуют два хода поршня. В головке цилиндра установлены впускной и выпускной клапаны, связывающие внутрицилиндровую полость с атмосферой. Для осуществления рабочих процессов на двигателе установлен распределительный вал, приводимый в действие от коленчатого вала, вращающийся со скоростью, в два раза меньшей скорости вращения коленчатого вала. На двигателе размещен топливный насос высокого давления. В головке цилиндра установлена форсунка с распылителем, имеющим отверстия малого диаметра, которые обеспечивают поступление в камеру сгорания мелко распыленного топлива. Рабочий цикл двигателя происходит за четыре хода поршня, что соответствует двум оборотам коленчатого вала и состоит из пяти процессов: впуска воздуха, его сжатия, сгорания мелко распыленного топлива, расширения и выпуска продуктов сгорания. В двигателях внутреннего сгорания, работающих по четырехтактному циклу, полезная работа совершается только в период такта расширения, остальные три такта являются подготовительными. Один из подготовительных ходов поршня (ход сжатия) необходим для повышения термического К.П.Д. двигателя. Конечное давление сжатия в дизелях составляет 30-40 кг/см, температура достигает 800-900К. Однако и при этих условиях в цилиндре для самовоспламенения топлива требуется некоторое время.
Процесс воспламенения и горения в цилиндре двигателя можно разграничить на четыре фазы.
Первая фаза горения - период задержки воспламенения - определяется углом поворота коленчатого вала от начала впрыскивания до момента, когда давление в цилиндре в результате выделения теплоты превышает давление при сжатии воздуха без впрыскивания топлива. В продолжительность периода задержки воспламенения входит время, необходимое для распада струи впрыскиваемого жидкого топлива на частицы, перемещения частиц в объеме камеры сгорания, нагрева, частичного испарения и перемешивания паров топлива с воздухом, а также время протекания предпламенных химических реакций.
Вторая фаза - фаза быстрого горения - начинается с момента воспламенения и продолжается до достижения максимума давления. При этом происходит быстрое тепловыделение и нарастание давления. В результате объемного многоочагового воспламенения топлива в цилиндре развивается высокое давление.
Третья фаза - горение при интенсивном смешивании воздуха с топливом - начинается в момент достижения максимального давления и завершается в момент максимума температуры цикла. В третьей фазе топливо подается в пламя. Период задержки воспламенения впрыскиваемой порции топлива сравнительно невелик. Горение развивается при увеличивающемся объеме рабочего тела. Давление в цилиндре падает медленно.
Четвертая фаза - догорание - начинается с момента достижения максимальной температуры цикла до окончания тепловыделения. В этой фазе взаимное столкновение частиц топлива и окислителя затруднено. В заряде содержится сажа, образовавшаяся в течение первых двух фаз сгорания [1].
В современных поршневых двигателях при сравнительно высокой их экономичности в полезную работу преобразуется только небольшая часть тепловой энергии, содержащейся в расходуемом им топливе, всего 25-40%. В реальных двигателях большая часть тепла теряется с отработавшими газами, с охлаждающей жидкостью (или воздухом), а также вследствие теплообмена с окружающей средой и от неполноты сгорания топлива. Опыты, проводившиеся с целью определения теплового баланса двигателей, т.е. общего распределения тепла, вводимого в цилиндры с топливом, позволили установить, что основные тепловые потери складываются из тепла, уносимого с отработавшими газами (30-40%) и с охлаждающей жидкостью (25-35%) [2].
Проблемы, связанные с потерей тепла, уносимого с отработавшими газами, теплообменом с окружающей средой и неполнотой сгорания топлива в четырехтактном двигателе, существенны и очевидны.
1. При нахождении поршня в цилиндре в верхней мертвой точке между головкой цилиндра и поршнем есть объем камеры сжатия, она же камера сгорания. Этот объем, безусловно полезный в четырехтактном двигателе, в котором и сжатие, и расширение происходят последовательно в одном цилиндре - нет вредного влияния надпоршневого объема компрессорного цикла в верхней мертвой точке, поскольку в этом же объеме рабочее тело идет в работу расширения после подвода теплоты. Это главный признак, благодаря которому двигатели внутреннего сгорания, реализующие четырехтактный цикл, удерживают свои позиции столь продолжительное время. Однако объем камеры сгорания в такте расширения является объемом вредного пространства, так как эта полость неизменяемого объема. Наличие этого объема не позволяет в такте расширения полнее использовать энергию рабочего тела, а после такта выпуска в этой полости находятся не вытесненные остаточные газы, которые, смешиваясь с очередной порцией воздуха, уменьшают процентное содержание кислорода этого заряда. Если воздух сжимать в компрессорном цилиндре и расширять сгорающие газы в расширительном цилиндре, объединив цилиндры перепускным каналом, стало бы возможным предварительное сжатие рабочего тела осуществлять в изменяемом объеме расширительного цилиндра, в камере сжатия, которая образована в цилиндре перекрытием впускного клапана на такте расширения, при этом сжатый воздух должен находиться в перепускном канале, а надпоршневой объем вредного пространства в верхней мертвой точке должен быть уменьшен, насколько это возможно.
2. С наибольшей эффективностью топливо сгорает, если меры к воспламенению его в цилиндре предпринимаются до прихода поршня в В.М.Т. с опережением на 20-30°. Если воздух сжимать в компрессорном цилиндре и расширять сгорающие газы в расширительном цилиндре, объединив их перепускным каналом, стало бы возможным меры к воспламенению топлива в цилиндре предпринять заблаговременно, вне цилиндра расширения, в перепускном канале, при закрытом впускном клапане, до прихода поршня в верхнюю мертвую точку, при этом возникает возможность осуществлять подвод теплоты и рабочий ход поршня от В.М.Т. до прекращения подачи топлива в цилиндр, в третьей фазе горения по выше описанной градации - топливо подается в пламя, горение происходит при интенсивном смешивании воздуха с топливом и развивается в увеличивающемся объеме рабочего тела.
3. В дизеле при высокой степени сжатия, в результате объемного, многоочагового воспламенения, сгорание топлива в малом объеме сопровождается значительным повышением давления в начале рабочего хода поршня, а детали кривошипно-шатунного механизма испытывают большие нагрузки, что влечет необходимость значительного увеличения массы нагруженных деталей для прочности и ограничение максимальных оборотов коленчатого вала. Если воздух сжимать в компрессорном цилиндре и расширять сгорающие газы в расширительном цилиндре, объединив их перепускным каналом, стало бы возможным выровнять давление в конце сжатия и в начале расширения, при этом процессы горения и расширения осуществлять при постоянной температуре на значительную часть рабочего хода поршня. Это позволит приблизить условия протекания термодинамических процессов к циклу Карно.
4. В двигателях, работающих по четырехтактному циклу, объемная степень сжатия и расширения одинакова, поскольку ход поршня охватывает один и тот же объем. Если рабочее тело расширять в цилиндре с объемом больше, чем объем цилиндра сжатия, то и работа, полученная от расширяющихся газов, будет больше.
5. В цилиндр дизеля в первом такте впускается атмосферный воздух. При впуске он омывает стенки цилиндра и поршня. При этом между воздухом, стенками цилиндра и поршня происходит теплообмен. Чем меньше температурная разница между этими стенками и окружающей средой, тем полнее порция воздуха, впускаемая в цилиндр, а стенки цилиндра и поршня в первом такте в лучшем случае должны иметь температуру окружающей среды. В третьем такте в этом же цилиндре происходит расширение продуктов сгорания при высокой температуре, и эти стенки также омываются, но продуктами сгорания уже при этой, высокой температуре. Для более производительной работы двигателя стенки цилиндра и поршня в третьем такте в лучшем случае должны иметь такую же высокую температуру. В четырехтактном двигателе стенки цилиндра имеют некую среднюю температуру, которая поддерживается в охлаждаемом цилиндре при работе двигателя. В пристеночном пространстве, в такте расширения, рабочее тело также охлаждается от стенок цилиндра. В результате этого охлаждения часть топливовоздушной смеси не успевает полностью сгореть в быстротекущих термодинамических процессах, в первую очередь, из пристеночного пространства цилиндра. Происходит загрязнение окружающей среды продуктами неполного сгорания топлива. Если всасывание и сжатие осуществлять в охлаждаемом цилиндре, а расширение и выпуск в неохлаждаемом, с теплосберегающими стенками цилиндра и поршня, то температурная разница между рабочим телом и стенками цилиндров и поршней в каждом цилиндре может быть сведена до минимума, а такты сжатия и расширения будут ближе к условиям, наиболее предпочтительным при осуществлении рабочих процессов двигателя.
Таким образом очевидно, что эти противоречия в четырехтактном двигателе, в котором холодные и горячие термодинамические процессы происходят в одном цилиндре, невозможно преодолеть в принципе.
Это сравнительная оценка способа работы двигателя внутреннего сгорания, реализующего четырехтактный цикл, в котором процессы сжатия и расширения осуществляются в одном цилиндре за два оборота коленчатого вала; с возможностями другого способа работы двигателя внутреннего сгорания - по разделенному четырехтактному циклу, в котором процессы сжатия и расширения осуществляются в двух разных цилиндрах за один оборот коленчатого вала.
В истории создания тепловых поршневых двигателей есть прецедент, когда понимание того, что холодные и горячие тепловые процессы должны происходить в разных цилиндрах или сосудах, почти на два столетия определило развитие паровых машин.
В 1711 г. английский кузнец Томас Ньюкомен создал паровую машину. Предназначалась она для откачки воды, заливавшей угольные копи. Машина имела котел, цилиндр с поршнем. От поршня шла цепь к коромыслу, которое качалось на оси, закрепленной на столбе. Другой конец коромысла соединялся с насосом. Машинист открывал кран, и пар из котла устремлялся в цилиндр. Поршень поднимался, коромысло наклонялось. Затем закрывался паровой кран и открывался водяной. В цилиндр впрыскивалась холодная вода. Пар в цилиндре конденсировался, там возникал вакуум, и под давлением атмосферы поршень быстро шел вниз, тянул коромысло, а оно - поршень насоса. На шахтах и рудниках машина Ньюкомена со своей задачей справлялась. Однако она была очень неэкономичной. Лишь один процент топлива, брошенного в топку, использовался полезно [3].
В 1765 году Джеймс Уатт, изготовив макет машины Ньюкомена по заказу университета и проводя на нем опыты, понял, что основной причиной ее низкой экономичности является охлаждение расширяющегося пара стенками цилиндра. И Уатт решает вынести процесс конденсации за пределы цилиндра. Это был шаг, завершивший формирование рабочего цикла паровой машины. Вот как писал об этом впоследствии сам Уатт: «…После того как я всячески обдумал вопрос, я пришел к твердому заключению, что, для того чтобы сделать совершенную паровую машину, необходимо, чтобы цилиндр был всегда горяч, как и входящий в него пар; но, с другой стороны, конденсация пара для образования вакуума должна была происходить при температуре не выше 30°». Поняв, что процесс охлаждения пара следует вынести за пределы цилиндра, Уатт берет свой первый патент на паровую машину.
Практическое развитие двигателей внутреннего сгорания с применением предварительного сжатия идет, возможно, таким же путем.
Первым был создан двигатель внутреннего сгорания, в котором сжатие и расширение (холодные и горячие тепловые процессы) происходят в одном цилиндре за два оборота коленчатого вала. Это двигатель внутреннего сгорания, реализующий четырехтактный цикл. Его создал в семидесятых годах девятнадцатого века Николаус Отто. Именно ему в содружестве с Эйгеном Лангеном удалось разработать такой двигатель, который и теперь, более чем через сто лет, занимает главенствующие позиции во многих сферах.
Двигатели на легком топливе и дизели прочно занимают эти позиции практически единственного вида силовой установки для наземного транспорта и составляют существенную долю среди силовых установок водного транспорта. Конечно, современные Д.В.С. конструктивно отличаются от самых первых образцов, но принципы преобразования теплоты в работу остались неизменными.
Идея практического осуществления двигателя внутреннего сгорания, в котором сжатие рабочего тела и расширение продуктов сгорания происходят в разных цилиндрах, появилась значительно раньше четырехтактного цикла. В 1801 году француз Филипп Лебон берет патент, содержащий описание двигателя на светильном газе. Лебон считал, что светильногазовый двигатель должен быть устроен так же, как и паровая машина, но вместо котла следовало придумать устройство для получения смеси продуктов сгорания светильного газа с воздухом и подачи их в машину под давлением. По современной терминологии это был двигатель, работающий по разделенному циклу, то есть с использованием разных цилиндров для сжатия рабочего тела и для расширения продуктов сгорания. Лебон предлагал сжимать светильный газ и воздух отдельными насосами и смешивать их в специальной камере. Затем смесь подавать в рабочий цилиндр, где воспламенялась и расширялась. Но Лебон не пытался построить свой двигатель. Идеи Лебона не получили должного развития по той причине, что они опередили свое время.
Сади Карно в своей книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованной в 1824 году, пишет, комментируя изобретение Ньепсов: «Нам казалось бы более выгодным действовать не как Ньепсы, а сперва сжать воздух насосом, затем пропустить его через вполне замкнутую топку, вводя туда малыми порциями топливо при помощи приспособления, легко осуществляемого; затем заставить воздух выполнить работу в цилиндре с поршнем или в любом другом расширяющемся сосуде и затем выбросить в атмосферу…». В этих размышлениях прослеживается в общих чертах именно разделенный четырехтактный цикл, в котором процессы сжатия и расширения происходят в двух разных цилиндрах, сообщенных перепускным каналом, однако практическое осуществление этого цикла осталась не реализованным [4].
Известен Д.В.С., содержащий по меньшей мере два цилиндра и размещенные внутри каждого цилиндра поршни с возможностью перемещения от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки, связанные шатунами с осями кривошипов коленчатого вала, находящихся в близкорасположенном угловом смещении друг от друга. Первый цилиндр служит компрессором и сообщен через впускной управляемый клапан с воздуховпускным трактом и через нагнетательный управляемый клапан с перепускным каналом, а второй - большего объема, расширительный цилиндр, сообщен через впускной управляемый клапан с перепускным каналом и через выпускной управляемый клапан с выхлопной магистралью. Все клапаны управляемы кулачками, прикрепленными к коленчатому валу и вращающимися со скоростью этого вала. Цилиндрическая часть неохлаждаемой головки расширительного цилиндра (тепловой цилиндр) соединена с охлаждаемым цилиндром через теплоизолирующую прокладку. Поршень расширительного цилиндра снабжен барабанообразной фальшь-головкой (вытеснителем), заполненной теплоизолирующим материалом. Осевая длина теплового цилиндра и вытеснителя в лучшем случае может быть почти равной ходу поршня. В головке расширительного цилиндра установлена форсунка.
Двигатель внутреннего сгорания работает по четырехтактному циклу (по версии автора), в котором все процессы происходят в двух цилиндрах за один оборот коленчатого вала - всасывание и сжатие воздуха осуществляют в цилиндре компрессора, а сгорание, расширение и выпуск продуктов сгорания происходят в расширительном цилиндре, сообщенном с цилиндром компрессора перепускным каналом. Синхронизация двух перепускных клапанов (нагнетательного клапана компрессора и впускного клапана расширительного цилиндра) такова, что сжатый воздух в перепускном канале остается преимущественно с постоянным давлением. Когда впускной клапан расширительного цилиндра закрывается, порция топлива впрыскивается через распылитель форсунки и соединяется с воздухом, достаточно нагретым, чтобы вызвать воспламенение таким же образом, как в дизельном двигателе. Выпуск продуктов сгорания из расширительного цилиндра происходит через выхлопную магистраль, охватывающую собой перепускной канал, противотоком подогревая сжатый воздух, используя высокую температуру выхлопных газов.
В известном двигателе расширение происходит в цилиндре с объемом больше, чем объем цилиндра сжатия, таким образом увеличивая степень расширения рабочего тела в цилиндре.
В этом двигателе стенки расширительного цилиндра неохлаждаемые, а вытеснитель поршня теплоизолированный. Благодаря тепловому цилиндру и вытеснителю, установленному на поршне, рабочий объем расширительного цилиндра перенесен из охлаждаемой части цилиндра в неохлаждаемую часть цилиндра. Осуществление тактов всасывания и сжатия в охлаждаемом компрессорном цилиндре способствует увеличению наполнения этого цилиндра воздухом, а тактов расширения и выпуска продуктов сгорания в неохлаждаемом расширительном цилиндре - снижению тепловых потерь в период такта расширения. Таким образом, процессы сжатия и расширения приближены к условиям, наиболее предпочтительным при осуществлении этих процессов.
Однако нагревание неохлаждаемого цилиндра расширяющимися продуктами сгорания может повлиять на структуру металла, из которого изготовлен цилиндр, и ухудшить его несущие свойства от воздействия высокой температуры и давления расширяющихся газов.
При осуществлении сжатия и расширения в разных цилиндрах возникает проблема объемов вредного пространства в цилиндре компрессора. Сжатый воздух, находящийся в зазорах надпоршневого и подклапанного пространства при нахождении поршня компрессора в верхней мертвой точке, не вытесняется за нагнетательный клапан, а расширяется в цилиндре в такте всасывания до атмосферного давления, а процесс всасывания начинается, когда давление в цилиндре будет меньше атмосферного, таким образом существенно уменьшается наполнение цилиндра очередной порцией воздуха, и чем больше давление нагнетания, тем меньше воздуха вытесняется за нагнетательный клапан.
В классических четырехтактных двигателях сжатие и расширение происходят последовательно в одном цилиндре, поэтому рабочее тело идет в работу расширения полностью после подвода теплоты. В них нет вредного влияния надпоршневых объемов компрессорного цикла в верхней мертвой точке. В рассматриваемом аналоге процессы сжатия и расширения происходят в двух разных цилиндрах. От возможности поршня компрессора достаточно полно вытеснять сжатое рабочее тело из цилиндра в перепускной канал при высоком давлении в значительной степени зависит эффективность этого двигателя.
В тексте описания есть несколько вариантов исполнения двигателя. Наиболее близкий из вариантов, аналог, описанный выше. Для сравнения и оценки эффективности необходимо отметить первый - базовый вариант. Он отличается от этого аналога тем, что имеет три клапана - два клапана компрессора - впускной и нагнетательный, и выпускной клапан расширительного цилиндра. Объем перепускного канала служит камерой сжатия, ее объем меньше объема цилиндра компрессора на величину степени сжатия.
Во всех вариантах двигателя для уменьшения влияния надпоршневого и подклапанных объемов вредного пространства компрессора служит признак «углового смещения осей кривошипов», расположенных на коленчатом валу под углом на близком расстоянии друг от друга, то есть поршень расширительного цилиндра проходит В.М.Т. раньше поршня компрессора на величину углового смещения осей кривошипов, используемый автором в качестве устройства для уменьшения вредного влияния надпоршневого и подклапанных объемов в верхней мертвой точке в цилиндре компрессора. Этот признак может быть эффективным в базовом трехклапанном двигателе. В этом исполнении одна порция воздуха или горючей смеси сжимается, вытесняется в перепускной канал и расширительный цилиндр и идет в работу расширения после подвода теплоты. Опережение прохождения верхней мертвой точки поршнем расширительного цилиндра относительно сжимающего поршня способствует понижению давления нагнетания при подходе поршня компрессора к верхней мертвой точке. Увеличивающийся объем расширительного цилиндра позволяет вытеснять эту одну порцию воздуха из цилиндра компрессора несколько полнее, тем самым может влиять на увеличение наполнения цилиндра компрессора очередной порцией воздуха. В четырехклапанном исполнении двигателя объем перепускного канала может быть больше объема цилиндра компрессора в несколько раз в связи с его использованием в качестве теплообменника. Объем перепускного канала уже не может быть камерой сжатия для одной порции воздуха. В тексте описания есть утверждение, что синхронизация двух перепускных клапанов такова, что сжатый воздух в перепускном канале остается преимущественно с постоянным давлением. То есть перепускной канал служит не только для перепуска воздуха из цилиндра компрессора в расширительный цилиндр, но и для хранения сжатого воздуха перед подачей в этот цилиндр. Я согласен с автором, что сжатый воздух в перепускном канале должен оставаться преимущественно с постоянным давлением. Но тогда давление воздуха в перепускном канале будет оказывать одинаковое сопротивление вытеснению сжатого воздуха из цилиндра компрессора при любом угловом соотношении осей кривошипов, а признак «углового смещения осей кривошипов» в качестве устройства для уменьшения вредного влияния надпоршневого и подклапанных объемов в верхней мертвой точке в цилиндре компрессора становится бесполезным в этом варианте двигателя. Далее в тексте утверждается, что «когда впускной клапан расширительного цилиндра закрывается, порция топлива впрыскивается через распылитель форсунки и соединяется с воздухом, достаточно нагретым, чтобы вызвать воспламенение таким же образом, как в дизельном двигателе.» Но в этом аналоге впускной клапан закрывается в такте расширения, после прохождения поршнем расширительного цилиндра верхней мертвой точки, и только тогда впрыскивается топливо. Как известно, для самовоспламенения топлива или воспламенения искровым или калильным способом требуется некоторое время. В продолжительность периода задержки воспламенения входит время, необходимое для распада струи впрыскиваемого жидкого топлива на частицы, перемещения частиц в объеме камеры сгорания, нагрева, частичного испарения и перемешивания паров топлива с воздухом, а также время протекания предпламенных химических реакций, поэтому с наибольшей эффективностью топливо может сгорать, если меры к воспламенению его в цилиндре предпринимаются до прихода поршня в верхнюю мертвую точку с опережением 20-30°. В этом двигателе подача топлива и период задержки воспламенения совпадают с процессом расширения, то есть очень позднее воспламенение топлива, позднее настолько, что сжатый и подогретый воздух в этот период охлаждается от расширения, что также может увеличить период задержки воспламенения, а меры к воспламенению топлива в цилиндре заблаговременно, до прихода поршня в верхнюю мертвую точку, не предприняты, чтобы начать расширение рабочего тела от верхней мертвой точки с подводом теплоты сгоранием внутри расширительного цилиндра [5].
Таким образом, этот двигатель не может быть эффективным:
1. Компрессор не имеет устройства для уменьшения влияния вредного пространства в надпоршневом и подклапанных зазорах в В.М.Т. при вытеснении сжатого воздуха из цилиндра компрессора при высоком давлении.
2. В этом двигателе не предприняты меры к воспламенению топлива в расширительном цилиндре заблаговременно настолько, чтобы начать расширение рабочего тела от верхней мертвой точки с подводом теплоты сгоранием внутри расширительного цилиндра.
Известен тепловой поршневой двигатель, содержащий по меньшей мере две пары цилиндров и размещенные внутри каждого цилиндра поршни с возможностью перемещения от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки, связанные шатунами с общим коленчатым валом. Первая пара цилиндров служит компрессором и сообщена через впускные управляемые клапаны с воздуховпускным трактом и через нагнетательные автоматические клапаны с перепускным каналом и теплообменником, размещенным в подогревателе. Цилиндры компрессора дополнительно снабжены каналом, связывающим оба цилиндра, и управляемыми перепускными клапанами, установленными в стыке канала с каждым цилиндром, и снабженным приводом с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. Вторая пара - расширительные цилиндры, большего объема, сообщена через впускные управляемые клапаны с впускным каналом и теплообменником и через выпускные клапаны с подогревателем и выхлопной магистралью.
Тепловой поршневой двигатель работает следующим образом: вращая коленчатый вал, поршни компрессора вытесняют воздух через автоматические нагнетательные клапаны в перепускной канал и теплообменник. Кулачки газораспределительного вала открывают впускные клапаны расширительных цилиндров поочередно в верхней мертвой точке в начале движения поршней к нижней мертвой точке, впускают воздух в цилиндры до объема, когда объем надпоршневой полости каждого из второй пары цилиндров меньше объема одного из первой пары цилиндров на величину степени сжатия, и перекрывают впускные клапаны, образуя камеры сжатия. При вращении коленчатого вала без подвода теплоты давление в перепускном канале, теплообменнике, впускном канале и в расширительных цилиндрах до момента перекрытия впускных клапанов с каждым оборотом коленчатого вала увеличивается, и после нескольких оборотов давление устанавливается постоянным и соответствует степени сжатия. При подводе теплоты сжатый воздух в теплообменнике нагревается и давление в перепускном канале, теплообменнике и впускном канале увеличивается. Впускные клапаны расширительных цилиндров поочередно открываются в верхней мертвой точке, и совершается рабочий ход поршней при постоянных температуре и давлении до момента перекрытия впускных клапанов. Далее расширение происходит без подвода теплоты до конца рабочего хода. После расширения воздух выпускают через выпускные клапаны в подогреватель для поддержания горения горячим воздухом и далее через выхлопную магистраль в атмосферу.
В известном двигателе холодные такты - всасывание и сжатие рабочего тела - осуществляют в цилиндрах компрессора, а горячие такты - расширение и выпуск в другой паре цилиндров, таким образом, способствуют улучшению протекания термодинамических процессов.
В этом двигателе расширение происходит в цилиндрах с объемом больше, чем объем цилиндров компрессора, тем самым увеличивают степень расширения рабочего тела.
Компрессор двигателя снабжен устройством для уменьшения влияния вредного пространства в надпоршневых и подклапанных зазорах в В.М.Т. при вытеснении сжатого воздуха из цилиндров компрессора при высоком давлении.
В этом двигателе предварительное сжатие рабочего тела осуществляют в изменяемом объеме расширительных цилиндров, в камерах сжатия, которые образованы перекрытием впускных клапанов на такте расширения. Рабочее тело в этих цилиндрах, до момента перекрытия клапанов, расширяется при преимущественно постоянных температуре и давлении.
В двигателе перекрывают выпускные клапаны расширительных цилиндров на такте выхлопа, это приводит к затрате работы на сжатие рабочего тела, но эти затраты компенсированы тем, что полнее использована энергия очередной порции рабочего тела [6; 7; 8].
Однако этот двигатель может иметь ограниченное применение на транспорте и в стационарных силовых установках. Это двигатель с внешним подводом теплоты. Внешний подвод теплоты не позволяет достаточно полно использовать возможности этого двигателя. Перекрытием впускных клапанов прекращается подвод теплоты к расширяющемуся рабочему телу, так как рабочее тело нагревается в теплообменнике до впускных клапанов вне цилиндров, но чем выше степень сжатия, тем раньше перекрывают впускные клапаны, тем меньший путь от верхней мертвой точки пройдут поршни в цилиндрах с расширяющимся рабочим телом при подводе теплоты. Применение теплообменника ограничивает максимальную температуру подогревателя и увеличивает материалоемкость, вес и габариты двигателя.
Применение внутреннего сгорания в расширительных цилиндрах позволит увеличить температуру рабочего тела и подводить теплоту к расширяющемуся рабочему телу в цилиндрах на значительную часть рабочего хода поршней после перекрытия впускных клапанов, а также уменьшить материалоемкость, вес и габариты двигателя [6; 7; 8].
Известен двигатель внутреннего сгорания, работающий по модифицированному циклу Эриксона, содержащий корпус двигателя с первым рядом цилиндров и вторым рядом цилиндров, расположенным под некоторым углом к первому ряду цилиндров. В корпусе двигателя смонтирован коленчатый вал. Первый ряд цилиндров имеет, по меньшей мере, один компрессорный цилиндр, а второй ряд цилиндров имеет один расширительный цилиндр. В компрессорном цилиндре движется возвратно-поступательно компрессорный поршень, образующий совместно с ним компрессорную камеру переменного объема. В расширительном цилиндре движется возвратно-поступательно расширительный поршень, образующий совместно с ним расширительную камеру переменного объема. Компрессорный и расширительный поршни соединены с коленчатым валом. Компрессорный цилиндр сообщен через впускной управляемый клапан с воздуховпускным трактом и атмосферой и через нагнетательный автоматический клапан с перепускным каналом, который проходит через рекуператор тепла отработавших газов. В перепускном канале размещена камера сгорания постоянного объема, в которой установлены форсунка и средства зажигания распыленного топлива. Расширительный цилиндр сообщен через впускной управляемый клапан с перепускным каналом и камерой сгорания постоянного объема и через выпускной управляемый клапан сообщен с рекуператором и выхлопной магистралью с атмосферой. В головке расширительного цилиндра установлена форсунка.
Рабочий цикл двигателя происходит за один оборот коленчатого вала и включает процессы:
1. Впуск воздуха в цилиндр компрессора.
2. Сжатие воздуха в цилиндре и вытеснение его в перепускной канал.
3. Подача первой части порции распыленного топлива к воздуху в камеру сгорания перепускного канала, воспламенение его и горение при постоянном давлении.
4. Перемещение сжатого и нагретого рабочего тела из камеры сгорания перепускного канала в расширительный цилиндр и подача второй части порции распыленного топлива к нему, в результате чего в течение хода расширения поршня рабочее тело поддерживается с постоянной температурой с получением работы на коленчатом валу.
5. Вытеснение продуктов сгорания из расширительного цилиндра через тепловой рекуператор и выхлопную магистраль в атмосферу. Между перепускным каналом и выхлопной магистралью в рекуператоре происходит теплообмен.
В известном двигателе холодные такты - всасывание и сжатие - осуществляют в одном цилиндре, а горячие такты - расширение и выпуск продуктов сгорания - в другом цилиндре, таким образом способствуют улучшению протекания термодинамических процессов, а также возникает возможность расширять рабочее тело в цилиндрах с объемом больше чем объем цилиндров сжатия, тем самым увеличивать степень расширения рабочего тела.
В этом двигателе предварительное сжатие рабочего тела осуществляют в изменяемом объеме расширительного цилиндра в камере сжатия, которая образована перекрытием впускного клапана на такте расширения.
В двигателе предприняты меры к воспламенению топлива в расширительном цилиндре заблаговременно, чтобы начать расширение рабочего тела от верхней мертвой точки с подводом теплоты сгоранием внутри расширительного цилиндра.
Форсункой, установленной в перепускном канале двигателя, подают первую часть порции распыленного топлива и воспламеняют свечой зажигания при закрытом впускном клапане до прихода поршня расширительного цилиндра в верхнюю мертвую точку.
Вторую часть порции распыленного топлива подают в образующееся пространство расширительного цилиндра при движении поршня от В.М.Т. до Н.М.Т. форсункой, установленной в головке цилиндра.
Вторую часть порции распыленного топлива воспламеняют факелом от форсунки, установленной в перепускном канале при открытии впускного клапана расширительного цилиндра. Рабочее тело в цилиндре расширяется при преимущественно постоянных температуре и давлении.
Однако известный двигатель имеет существенные недостатки. Это двигатель с рабочим телом низкого давления. Его компрессор не имеет устройства для уменьшения влияния вредного пространства в надпоршневом и подклапанных зазорах в В.М.Т. при вытеснении сжатого воздуха из цилиндра компрессора при высоком давлении. Как известно из цикла Карно, давление и температура в конце адиабатного сжатия рабочего тела равны давлению и температуре в начале расширения. Для этого сжатие должно быть достаточно высоким, чтобы температура рабочего тела в результате работы сжатия в конце рабочего хода сжимающего поршня приближалась к температуре в начале расширения. В известном двигателе такого приближения сделать нельзя, поскольку, как уже упоминалось, это двигатель с рабочим телом низкого давления. В этом двигателе теплота подводится к рабочему телу сначала в тепловом рекуператоре путем теплообмена перепускного канала с выхлопной магистралью, затем сжиганием топлива при непрерывном горении (многоцилиндровое исполнение двигателя) в камере сгорания перепускного канала для достижения необходимых температуры и давления рабочего тела перед подачей в расширительный цилиндр. Наконец подача второй части порции топлива и его горение непосредственно в цилиндре для поддержания рабочего тела в постоянной температуре при расширении в течение всего хода поршня от В.М.Т. до Н.М.Т., таким образом, температура рабочего тела в начале рабочего хода и в конце его одинаково высокая. При таком подводе теплоты к рабочему телу необходимо вторичное преобразование теплоты, что и происходит в рекуператоре. Это вторичное преобразование теплоты повышает К.П.Д. двигателя, однако преобразование тепловой энергии в механическую работу, насколько возможно, должно происходить от расширения рабочего тела при совершении работы непосредственно в цилиндре. Из цикла Карно известно, что наиболее экономичный процесс преобразования теплоты в работу - это когда одна часть рабочего хода поршня идет при расширении рабочего тела в цилиндре с подводом теплоты при постоянной температуре (изотермически), а вторая часть - до конца рабочего хода, без подвода и отвода теплоты (адиабатно). Для этого давление рабочего тела в начале расширения должно быть достаточно высоким [9; 4].
Известный двигатель не может быть эффективным настолько, чтобы быть востребованным в современных условиях. Это двигатель с рабочим телом низкого давления. Его компрессор не имеет устройства для уменьшения влияния вредного пространства в надпоршневом и подклапанных зазорах в В.М.Т. при вытеснении сжатого воздуха из цилиндра при высоком давлении. Вторичное преобразование теплоты в работу не может достаточно полно реализовать возможности этого двигателя, кроме того, рекуператор усложняет двигатель, увеличивает его материалоемкость, вес и габариты.
Сущность изобретения заключается в повышении К.П.Д. двигателя путем увеличения степени сжатия и приближения процесса расширения рабочего тела к циклу Карно - в первой части рабочего хода поршня к изотермическому расширению, во второй части, до конца рабочего хода, к адиабатному.
Для достижения технического результата:
1. В известном Д.В.С., содержащем, по меньшей мере, две пары цилиндров, рабочие поршни, размещенные внутри каждого цилиндра по одному с возможностью перемещения от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки и разделяющие объем каждого цилиндра на две полости, надпоршневую и подпоршневую. Первая пара цилиндров сообщена через впускные управляемые клапаны с воздуховпускным трактом и сообщена через нагнетательные автоматические клапаны с перепускным каналом. Вторая пара цилиндров сообщена через впускные управляемые клапаны с перепускным каналом и через выпускные управляемые клапаны с выхлопной магистралью, а поршни связаны шатунами с общим коленчатым валом. Все управляемые клапаны снабжены приводом от коленчатого вала. В перепускном канале установлены форсунка и свеча зажигания. В головке каждого расширительного цилиндра установлена форсунка.
В двигателе предварительное сжатие рабочего тела осуществляют в изменяемом объеме расширительных цилиндров, в камерах сжатия, которые образованы перекрытием впускных клапанов на такте расширения, в момент, когда объем надпоршневой полости каждого из второй пары цилиндров меньше полного объема одного из первой пары цилиндров на величину степени сжатия, при этом сжатый воздух хранится в перепускном канале. Надпоршневой объем вредного пространства в расширительных цилиндрах при нахождении поршней в верхней мертвой точке должен быть уменьшен, насколько это возможно.
Для предварительного сжатия рабочего тела и образования высокого рабочего давления в перепускном канале и расширительных цилиндрах двигателя при подводе теплоты впускные клапаны перекрывают в первой трети рабочего хода поршней расширительных цилиндров.
В прототипе момент перекрытия впускных клапанов наступает не ранее третьей трети рабочего хода поршней расширительных цилиндров, поскольку это двигатель с рабочим телом низкого давления. Небольшая степень сжатия приемлема для производительной работы компрессора в двигателе с рабочим телом низкого давления.
2. Одноступенчатый компрессор двигателя снабжен устройством, способствующим сжатию и получению достаточно высокого давления рабочего тела, в пределах, рекомендуемых для двухступенчатого сжатия. Для увеличения объемного наполнения цилиндров компрессора и вытеснения сжатого воздуха в перепускной канал при высоком давлении, которое образуется при подводе теплоты, служит способ получения высоких давлений газа, в котором многократно осуществляют процессы всасывания и сжатия в двух параллельно включенных полостях, где по окончании каждого цикла полости объединяют, а после выравнивания в них давлений вновь разъединяют. Для этого первая пара цилиндров дополнительно сообщена каналом, связывающим оба цилиндра и управляемыми перепускными клапанами, установленными в стыке канала с каждым цилиндром и снабженными приводом, с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов в момент нахождения поршней первой группы цилиндров одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. Использование дополнительного канала, связывающего первую пару цилиндров и управляемые перепускные клапаны, установленные в данном канале и снабженные приводом, позволяют увеличить степень сжатия и тем самым повысить К.П.Д. двигателя.
3. Форсунка и свеча зажигания установлены в перепускном канале перед впускным клапаном при каждом расширительном цилиндре. Форсункой, установленной в перепускном канале, подают первую часть порции распыленного топлива и воспламеняют свечой зажигания при закрытом впускном клапане до прихода поршня расширительного цилиндра в верхнюю мертвую точку с упреждением подачи настолько, что к началу открытия впускного клапана топливо воспламеняется и образуется факел пламени. Таким образом, меры к воспламенению топлива в цилиндре предприняты заблаговременно. Поддерживать постоянное горение топлива в перепускном канале нет необходимости, поскольку при высоких степенях сжатия и повышения рабочего давления при подводе теплоты температура рабочего тела в конце рабочего хода сжимающего поршня достаточно высокая. Для уменьшения тепловых потерь через стенки перепускного канала при перемещении рабочего тела из цилиндров компрессора в расширительные цилиндры перепускной канал покрывают теплосберегающей оболочкой.
В прототипе в камере сгорания перепускного канала установлены одна свеча зажигания и одна форсунка, которая обеспечивает непрерывное горение в камере сгорания при работе двигателя (при многоцилиндровом исполнении). Такое горение топлива необходимо для достижения рабочих температуры и давления рабочего тела перед подачей в расширительные цилиндры, а также для воспламенения второй части порции топлива после открытия впускных клапанов расширительных цилиндров.
4. Вторую часть порции распыленного топлива подают в образующееся пространство расширительного цилиндра при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, примерно до половины рабочего хода поршня, форсункой, установленной в головке этого цилиндра. Начало открытия впускного клапана совпадает с началом движения поршня к нижней мертвой точке. Вторую часть порции распыленного топлива воспламеняют факелом от форсунки, установленной в перепускном канале при открытии впускного клапана. Таким образом, горение и расширение рабочего тела идет в расширительном цилиндре при движении поршня от В.М.Т. до момента перекрытия впускного клапана в объединенной полости перепускного канала и расширительного цилиндра при постоянном давлении. Горение идет при интенсивном смешивании воздуха с топливом и поддерживается в постоянной температуре в увеличивающемся объеме рабочего тела. После перекрытия впускного клапана расширение идет только в расширительном цилиндре при постоянной температуре до прекращения подачи топлива в цилиндр. Таким образом, первая часть рабочего хода поршня идет в расширительном цилиндре с подводом теплоты при постоянной температуре при движении поршня от В.М.Т. до прекращения подачи топлива. После прекращения подачи топлива расширение идет без подвода теплоты до конца рабочего хода поршня.
В прототипе вторую часть порции топлива подают и поддерживают его горение непосредственно в расширительном цилиндре в постоянной температуре рабочего тела при расширении в течение всего хода поршня от В.М.Т. до Н.М.Т., таким образом, температура рабочего тела в начале рабочего хода и в конце его одинаково высокая. При таком подводе теплоты к рабочему телу необходимо вторичное преобразование теплоты, что и происходит в рекуператоре.
5. После расширения продукты сгорания выпускают через выпускные клапаны и выхлопную магистраль в атмосферу. Выпускные клапаны расширительных цилиндров перекрывают на такте выхлопа в момент нахождения поршней, когда объем надпоршневой полости каждого из второй пары цилиндров больше объема надпоршневой полости в этих цилиндрах в момент нахождения поршней в верхней мертвой точке на величину степени сжатия. Поскольку в верхней мертвой точке в расширительных цилиндрах есть подклапанный и надпоршневой объемы вредного пространства, то сжатие части выхлопных газов таким образом выравнивает давление в этом объеме и в перепускном канале. Впускные клапаны в начале рабочего хода объединяют перепускной канал и объем вредного пространства с равным давлением, и расширение начнется с началом движения поршней к нижней мертвой точке, причем затраты работы на сжатие компенсированы тем, что полнее используется энергия очередной порции рабочего тела.
6. В двигателе рабочий объем расширительных цилиндров больше рабочего объема цилиндров компрессора, тем самым увеличивают степень расширения рабочего тела в цилиндрах.
7. Каждый расширительный цилиндр двигателя выполнен составным из двух цилиндров, соосно соединенных через теплоизолирующую прокладку и закрепленных на корпусе двигателя. Первый цилиндр - опорный, второй - тепловой цилиндр. Опорный цилиндр металлический, охлаждаемый. Тепловой цилиндр трехслойный, неохлаждаемый, первый, внешний слой которого, представляет несущий металлический цилиндр (далее несущий цилиндр). Второй слой - теплосберегающий, выполнен из термостойкого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности и покрывает внутреннюю поверхность несущего цилиндра. Поверхность второго слоя закрывают третьим, защитным слоем - термостойкой металлической втулкой.
8. Поршень каждого расширительного цилиндра состоит из трех основных частей - направляющей части, головки и вытеснителя. На головке поршня установлен вытеснитель. Вытеснитель поршня (далее вытеснитель) трехслойный, первый, внутренний слой которого, представляет несущий металлический стакан (далее несущий стакан), жестко закрепленный на головке поршня. Второй слой - теплосберегающий, выполнен из термостойкого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности и покрывает внешние боковую и торцевую поверхности несущего стакана.
Поверхность второго слоя закрывают третьим, защитным слоем -термостойким металлическим стаканом.
9. Между вытеснителем, опорным и тепловым цилиндрами имеется зазор, необходимый и достаточный для обеспечения условий незадевания боковой стенкой вытеснителя о стенки опорного и теплового цилиндров при работе двигателя.
Благодаря вытеснителю, установленному на головке поршня, и тепловому цилиндру, соосно установленному на опорном цилиндре, рабочий объем расширительного цилиндра перенесен из охлаждаемой части в неохлаждаемую часть цилиндра. Наличие теплосберегающих слоев в тепловом цилиндре и вытеснителе позволяет уменьшить тепловые потери через стенки этих деталей и снизить температуру несущих слоев теплового цилиндра и вытеснителя, таким образом сохранить несущие свойства нагруженных деталей. Третий, защитный слой в тепловом цилиндре и на вытеснителе необходим для защиты теплосберегающего слоя от эрозии. Вынесение рабочего объема из охлаждаемой части расширительного цилиндра и размещение его в неохлаждаемой части цилиндра с теплосберегающим слоем позволяет приблизить процесс расширения рабочего тела к адиабатным условиям. При этом в опорном цилиндре обеспечиваются щадящие условия для взаимодействия трущихся деталей поршня и опорного цилиндра.
От возможности поршней компрессора достаточно полно вытеснять сжатое рабочее тело из цилиндров в перепускной канал при высоком давлении в значительной степени зависит эффективность двигателя.
Это двигатель внутреннего сгорания, работающий по разделенному четырехтактному циклу, возможности которого позволяют осуществлять работу при высоком давлении рабочего тела и подводить теплоту при расширении в первой части рабочего хода поршней расширительных цилиндров при постоянной температуре (изотермически), во второй части, до конца рабочего хода поршней, расширять рабочее тело без подвода и отвода теплоты (адиабатно). При этом температурная разница между рабочим телом и стенками цилиндров и поршней в каждом цилиндре сведена до минимума, то есть холодные процессы (впуск и сжатие) осуществляют в холодных цилиндрах, а горячие процессы (горение расширение и выпуск) - в горячих цилиндрах. Таким образом, полученная совокупность признаков является необходимой для достижения технического результата.
На фигуре 1 изображен двигатель внутреннего сгорания Меньшова (первый вариант).
Двигатель внутреннего сгорания состоит из двух пар цилиндров 1 и 2, в которых движутся поршни 3 и 4, связанные с общим коленчатым валом 5. Первая пара цилиндров 1 служит компрессором, впускные клапаны 6 которого управляемые, сообщены с воздуховпускным трактом 7 и с атмосферой. Нагнетательные клапаны 8 автоматические сообщены с перепускным каналом 9. Кроме того, цилиндры 1 компрессора связаны между собой каналом 10, в котором на стыке канала с каждым цилиндром 1 установлены перепускные управляемые клапаны 11. Вторая пара цилиндров 2 является расширительными цилиндрами, сообщена через впускные управляемые клапаны 12 с перепускным каналом 9. Выпускные клапаны 13 также управляемы, сообщены через выхлопную магистраль 14 с атмосферой. Все управляемые клапаны имеют привод от общего газораспределительного вала 15, связанного с коленчатым валом передаточным отношением 1:1. В перепускном канале 9, перед впускными клапанами 12 расширительных цилиндров установлены форсунки 16 и свечи зажигания 17. В головке 18 каждого расширительного цилиндра установлена форсунка 19.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Вращая коленчатый вал 5, поршни 3, компрессора вытесняют воздух через автоматические нагнетательные клапаны 8 в перепускной канал 9. Кулачки газораспределительного вала 15 открывают впускные клапаны 12 расширительных цилиндров 2, поочередно, в верхней мертвой точке в начале движения поршней 4 к нижней мертвой точке, впускают воздух в цилиндры 2 до объема, когда объем надпоршневой полости каждого из второй пары цилиндров 2 меньше объема одного из первой пары цилиндров 1 на величину степени сжатия, и перекрывают впускные клапаны 12, образуя камеры сжатия. Перед началом вращения коленчатого вала 5 во всех цилиндрах двигателя и в перепускном канале 9 давление атмосферное. Совершая один оборот коленчатого вала 5, поршни 3 компрессора вытесняют по одной порции воздуха в перепускной канал 9, а впускается в расширительные цилиндры 2 часть этих порций, поскольку объем камер сжатия значительно меньше объема цилиндров 1 компрессора. Однако давление в перепускном канале 9 увеличилось незначительно, так как суммарный объем перепускного канала 9 и камер сжатия сравнительно большой. Затем давление в перепускном канале 9 и в расширительных цилиндрах 2 до момента перекрытия впускных клапанов 12 с каждым оборотом коленчатого вала 5 увеличивается, и через несколько оборотов давление устанавливается постоянным, так как порции воздуха, вытесненные поршнями 3 компрессора в перепускной канал 9, и порции воздуха, впущенные в расширительные цилиндры 2 за каждый оборот коленчатого вала 5, равны. Это предварительное сжатие рабочего тела до давления, соответствующего степени сжатия. Оно образуется в перепускном канале при вращении коленчатого вала. При установившемся давлении в перепускном канале 9 форсунками 16 поочередно подают первую часть порции топлива и воспламеняют свечами зажигания 17 (применимо искровое и калильное зажигание). Топливо подают в приклапанное пространство в перепускном канале при закрытом впускном клапане 12 до прихода поршня 4 в В.М.Т. с упреждением подачи настолько, что к началу открытия впускного клапана топливо воспламеняется и образуется факел пламени. Начало открытия впускного клапана 12 совпадает с началом движения поршня 4 к нижней мертвой точке. Вторую часть порции распыленного топлива подают форсункой 19 в образующееся пространство цилиндра при движении поршня 4 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке примерно до половины рабочего хода поршня. Вторую часть порции распыленного топлива воспламеняют факелом от форсунки 16 при открытии впускного клапана 12. Основное назначение форсунки 16 - воспламенение второй части порции топлива. Подачу первой части порции топлива форсункой 16 прекращают после того, как факел пламени воспламенит вторую часть порции топлива, подаваемую форсункой 19. Теплоту рабочее тело получает от сгорания преимущественно второй части порции топлива. Таким образом, горение и расширение рабочего тела идет в расширительном цилиндре при движении поршня от В.М.Т. до момента перекрытия впускного клапана в объединенной полости перепускного канала и расширительного цилиндра при постоянном давлении. Горение идет при интенсивном смешивании воздуха с топливом и поддерживается в постоянной температуре в увеличивающемся объеме рабочего тела. После перекрытия впускного клапана расширение идет только в расширительном цилиндре при постоянной температуре до прекращения подачи топлива в цилиндр. Таким образом, первая часть рабочего хода поршня идет в расширительном цилиндре с подводом теплоты при постоянной температуре при движении поршня от В.М.Т. до прекращения подачи топлива. После прекращения подачи топлива расширение идет без подвода теплоты до конца рабочего хода поршня. После расширения продукты сгорания выпускают через выпускной клапан 13 и выхлопную магистраль 14 в атмосферу. Выпускные клапаны 13 расширительных цилиндров 2 перекрывают на такте выхлопа в момент нахождения поршней 4, когда объем надпоршневой полости каждого из второй пары цилиндров 2 больше объема надпоршневой полости в этих цилиндрах в момент нахождения поршней в верхней мертвой точке на величину степени сжатия. Поскольку в верхней мертвой точке в расширительных цилиндрах 2 есть подклапанный и надпоршневой объемы вредного пространства, то сжатие части выхлопных газов таким образом выравнивает давление в этом объеме и в перепускном канале 9. Впускные клапаны 12 в начале рабочего хода объединяют перепускной канал и объем вредного пространства с равным давлением, и расширение начнется с началом движения поршней к нижней мертвой точке, причем затраты работы на сжатие компенсированы тем, что полнее используется энергия очередной порции рабочего тела.
Одноступенчатый компрессор двигателя снабжен устройством, способствующим сжатию и получению достаточно высокого давления рабочего тела, в пределах, рекомендуемых для двухступенчатого сжатия. Для увеличения объемного наполнения цилиндров 1 компрессора и вытеснения сжатого воздуха в перепускной канал 9 при высоком давлении, которое образуется при подводе теплоты, служит способ получения высоких давлений газа, в котором многократно осуществляют процессы всасывания и сжатия в двух параллельно включенных полостях, где по окончании каждого цикла полости объединяют, а после выравнивания в них давлений вновь разъединяют. Для этого первая пара цилиндров 1 дополнительно снабжена каналом 10, связывающим оба цилиндра, и управляемыми перепускными клапанами 11, установленными в стыке канала с каждым цилиндром и снабженными приводом (кулачковый вал 15) с возможностью открытия каждого из управляемых клапанов 11 в момент нахождения поршней 3 первой группы цилиндров 1 одного в верхней мертвой точке, а другого в нижней мертвой точке. Таким образом, использование дополнительного канала, связывающего первую пару цилиндров и управляемые перепускные клапаны, установленные в данном канале и снабженные приводом, позволяют увеличить степень сжатия и тем самым повысить К.П.Д. двигателя.
Для повышения К.П.Д. двигателя путем приближения процесса расширения рабочего тела к адиабатным условиям рабочий объем каждого расширительного цилиндра перенесен из охлаждаемой части в неохлаждаемую часть цилиндра.
На фигуре 2 изображен двигатель внутреннего сгорания Меньшова (второй вариант), в котором рабочий объем каждого расширительного цилиндра перенесен из охлаждаемой части в неохлаждаемую часть расширительного цилиндра. Способ работы такой же, как и первый вариант.
На фигуре 3 изображен расширительный цилиндр с поршнем и головкой цилиндра двигателя Меньшова (по второму варианту).
Каждый расширительный цилиндр 2 состоит из двух цилиндров, соосно соединенных и закрепленных на корпусе двигателя. Первый цилиндр - опорный, второй - тепловой цилиндр. Опорный цилиндр 20 металлический, охлаждаемый, служит опорой для теплового цилиндра. Внутренняя поверхность опорного цилиндра служит направляющей для поршня и уплотняемой поверхностью от протечки рабочего тела между цилиндром и уплотняющими кольцами поршня. Тепловой цилиндр 21 - трехслойный, неохлаждаемый, первый, внешний слой которого представляет несущий металлический цилиндр 22. Второй слой 23 - теплосберегающий, выполнен из термостойкого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности (например, из прессованного асбестового картона) и покрывает внутреннюю поверхность несущего цилиндра. Поверхность теплосберегающего слоя закрывают третьим слоем 24 - термостойкой защитной металлической втулкой. В плоскости разъема 25, разделяющей расширительный цилиндр на опорный и тепловой цилиндры, установлена теплоизолирующая уплотнительная прокладка 26. Поршень 4 расширительного цилиндра состоит из трех основных частей: направляющей части 27, головки 28 и вытеснителя 29. В направляющей части 27 (юбке поршня, изображена частично) с внутренней стороны имеются приливы с отверстиями для поршневого пальца. На боковой стенке головки поршня 28, в канавках, размещены уплотняющие поршневые кольца 30. На головке поршня 28 установлен вытеснитель 29. Вытеснитель поршня трехслойный. Первый, внутренний, слой которого представляет несущий металлический стакан 31, соединенный с головкой поршня резьбовым соединением 32 (или иным способом). Второй слой 33 вытеснителя - теплосберегающий, выполнен из термостойкого материала с невысоким коэффициентом теплопроводности и покрывает внешние боковую и торцевую поверхности несущего стакана 31. Поверхность теплосберегающего слоя 33 закрывают третьим слоем 34 - термостойким защитным металлическим стаканом. Между вытеснителем, опорным и тепловым цилиндрами имеется зазор 35, необходимый и достаточный для обеспечения условий незадевания боковой стенкой вытеснителя о стенки опорного и теплового цилиндров при работе двигателя. Благодаря вытеснителю, установленному на головке поршня, и тепловому цилиндру, соосно установленному на опорном цилиндре, рабочий объем 36 расширительного цилиндра 2 перенесен из охлаждаемой части расширительного (опорного) цилиндра 20 в неохлаждаемую часть расширительного (теплового) цилиндра 21. Наличие теплосберегающих слоев в тепловом цилиндре и вытеснителе позволяет уменьшить тепловые потери через стенки этих деталей и снизить температуру несущих слоев теплового цилиндра и вытеснителя, таким образом сохранить несущие свойства нагруженных деталей. Третий, защитный слой в тепловом цилиндре и на вытеснителе необходим для защиты теплосберегающего слоя от эрозии. Вынесение рабочего объема из охлаждаемой части цилиндра и размещение его в неохлаждаемой части цилиндра с теплосберегающим слоем позволяет приблизить процесс расширения рабочего тела к адиабатным условиям и таким образом повысить К.П.Д. двигателя. При этом в опорном цилиндре обеспечиваются щадящие условия для взаимодействия трущихся деталей поршня и опорного цилиндра.
При высоких степенях сжатия и повышения рабочего давления при подводе теплоты, температура рабочего тела в конце рабочего хода сжимающего поршня достаточно высокая. Для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду через стенки перепускного канала при перемещении рабочего тела из цилиндров компрессора в расширительные цилиндры перепускной канал 9 покрывают теплосберегающей оболочкой 37.
Работа двигателя осуществляется после образования рабочего давления в перепускном канале. Рабочее давление образуется в результате предварительного сжатия рабочего тела и повышения его давления после подвода теплоты при вращении коленчатого вала. Степень повышения давления зависит от разности температур рабочего тела в цилиндрах компрессора в начале сжатия и рабочего тела в расширительных цилиндрах на момент перекрытия впускных клапанов. Рабочее давление образуется таким образом. При установившемся в перепускном канале давлении, соответствующем степени сжатия, при вращении коленчатого вала от начала рабочего хода поршней расширительных цилиндров и примерно до половины хода, к рабочему телу в расширительные цилиндры подводят теплоту (поочередно соответственно). Давление в перепускном канале и в цилиндрах увеличивается незначительно. Совершая один оборот коленчатого вала, поршни компрессора вытесняют по одной порции рабочего тела в перепускной канал, а впускается в расширительные цилиндры часть этих порций, поскольку после подвода теплоты в эти цилиндры, до момента перекрытия впускных клапанов, рабочее тело расширяется только в цилиндрах, а давление увеличивается и распространяется на весь объем рабочего тела, ограниченного стенками расширительных цилиндров, поршней и перепускного канала, сжимая рабочее тело в перепускном канале и перемещая поршни в цилиндрах к Н.М.Т. При этом массовая доля каждой порции рабочего тела, впущенной в расширительные цилиндры после подвода теплоты и расширения на момент перекрытия впускных клапанов, меньше массы порции рабочего тела, вытесненной каждым поршнем компрессора в перепускной канал. Продолжая вращать коленчатый вал, давление в перепускном канале и в расширительных цилиндрах до момента перекрытия впускных клапанов с каждым оборотом увеличивается. Давление увеличивается до тех пор, пока масса порции рабочего тела, впущенной в каждый расширительный цилиндр из перепускного канала, на момент перекрытия впускных клапанов не достигнет массы порции рабочего тела, вытесненной каждым поршнем компрессора в перепускной канал. Через несколько оборотов коленчатого вала давление в перепускном канале устанавливается и поддерживается постоянным и соответствует рабочему давлению при данной температуре рабочего тела в расширительных цилиндрах на момент перекрытия впускных клапанов, а работа расширения рабочего тела идет только на перемещение поршней расширительных цилиндров к Н.М.Т. и получение работы на коленчатом валу. Таким образом, расширение рабочего тела идет при движении поршней расширительных цилиндров от В.М.Т. до момента перекрытия впускных клапанов в объединенной полости перепускного канала и расширительных цилиндров при постоянном давлении, а в расширительных цилиндрах и при постоянной температуре. После перекрытия клапанов расширение идет только в полостях расширительных цилиндров при постоянной температуре до прекращения подвода теплоты. После прекращения подвода теплоты расширение идет адиабатно, без подвода и отвода теплоты до конца рабочего хода поршней.
Таким образом, совокупность признаков, упоминаемых в этом описании, приближает процессы сжатия, горения и расширения рабочего тела к условиям, наиболее предпочтительным, и ставит способ работы двигателя внутреннего сгорания по разделенному четырехтактному циклу на качественно новый уровень.
Пояснения к фигуре 1
1. Первая пара цилиндров. Цилиндры компрессора
2. Вторая пара цилиндров. Расширительные цилиндры
3. Поршни цилиндров компрессора
4. Поршни расширительных цилиндров
5. Коленчатый вал
6. Впускные управляемые клапаны компрессора
7. Впускной тракт
8. Автоматические нагнетательные клапаны компрессора
9. Перепускной канал
10. Канал, связывающий между собой цилиндры компрессора
11. Перепускные управляемые клапаны компрессора
12. Впускные управляемые клапаны расширительных цилиндров
13. Выпускные управляемые клапаны расширительных цилиндров
14. Выхлопная магистраль
15. Кулачковый газораспределительный вал
16. Форсунки перепускного канала
17. Свечи зажигания
18. Головка расширительного цилиндра
19. Форсунки расширительных цилиндров
Пояснения к фигуре 2
1. Первая пара цилиндров. Цилиндры компрессора
2. Вторая пара цилиндров. Расширительные цилиндры
3. Поршни цилиндров компрессора
4. Поршни расширительных цилиндров
5. Коленчатый вал
6. Впускные управляемые клапаны компрессора
7. Впускной тракт
8. Автоматические нагнетательные клапаны компрессора
9. Перепускной канал
10. Канал связывающий между собой цилиндры компрессора
11. Перепускные управляемые клапаны компрессора
12. Впускные управляемые клапаны расширительных цилиндров
13. Выпускные управляемые клапаны расширительных цилиндров
14. Выхлопная магистраль
15. Кулачковый газораспределительный вал
16. Форсунки перепускного канала
17. Свечи зажигания
18. Головки расширительных цилиндров
19. Форсунки расширительных цилиндров
20. Опорный цилиндр
21. Тепловой цилиндр
25. Плоскость разъема расширительного цилиндра на опорный и тепловой цилиндры
29. Вытеснитель поршня (вытеснитель)
35. Зазор между стенкой вытеснителя и стенкой расширительного цилиндра
36. Рабочий объем расширительного цилиндра
Пояснения к фигуре 3
2. Расширительный цилиндр
4. Поршень расширительного цилиндра
9. Перепускной канал.
12. Впускной управляемый клапан расширительного цилиндра
13. Выпускной управляемый клапан расширительного цилиндра
14. Выхлопная магистраль
16. Форсунка перепускного канала
17. Свеча зажигания
18. Головка расширительного цилиндра
19. Форсунка расширительного цилиндра
20. Опорный цилиндр
21. Тепловой цилиндр
22. Первый, несущий слой теплового цилиндра (несущий цилиндр)
23. Второй, теплосберегающий слой теплового цилиндра
24. Третий, защитный слой теплового цилиндра
25. Плоскость разъема расширительного цилиндра на опорный и тепловой цилиндры
26. Теплоизолирующая уплотнительная прокладка
27. Направляющая часть поршня (изображена частично)
28. Головка поршня
29. Вытеснитель поршня (вытеснитель)
30. Поршневые кольца
31. Первый, несущий слой вытеснителя (несущий стакан)
32. Резьбовое соединение несущего стакана с головкой поршня
33. Второй, теплосберегающий слой вытеснителя
34. Третий, защитный слой вытеснителя
35. Зазор между стенкой вытеснителя и стенкой расширительного цилиндра
36. Рабочий объем расширительного цилиндра
37. Теплосберегающая оболочка перепускного канала
Источники информации
1. С.Н.Богданов, М.М.Буренков, И.Е.Иванов. Автомобильные двигатели. Учебник для автотранспортных техникумов. М.: Изд. Машиностроение, 1987 г. - 368 с., с.70, 122-128.
2. Райков И.Я., Рытвинский Г.Н. Автомобильные двигатели внутреннего сгорания. Учебное пособие по курсу конструкции двигателей для втузов. М.: Высшая школа, 1970 г. - 432 с., с.25, 26, 42, 43.
3. «Тайны XX века». Еженедельник. №46, ноябрь 2007 г. Г.Черненко, с.6.
4. Моравский А.В., Фаин М.А. Огонь в упряжке. М.: Знание, 1990 г. (Жизнь замечательных идей). - 192 с., с.35, 54, 55, 59, 67, 68, 82, 83, 112.
5. Патент США №3623463, НКИ 123-70, МКИ F02B 33/22. Опубликовано в 1971 г.
6. Патент РФ №1760804 A1. МКИ F02G 1/02, F02B 75/12. Приоритет от 19.03.1990 г.
7. Журнал «Изобретатель и рационализатор» №11, 1981 г. А.Ушаков, с.14-17.
8. Заявка ФРГ МКИ F04B 37/16. DE 3514119 A1. Опубликовано 23.10.1986 г.
9. Патент США №4133172, НКИ 60-39. 63, МКИ F02 41/02. Опубликовано в 1979 г. (прототип).