Газопоршневой двигатель внутреннего сгорания для отопления и вентиляции зданий

Газопоршневой двигатель внутреннего сгорания относится к области малой и альтернативной теплоэлектроэнергетики. Конструкция двигателя не имеет блока цилиндров или блоккартера, коленчатого вала, что позволяет его изготавливать на предприятиях, не имеющих специального оборудования двигателестроения.
Основная область применения - выработка механической или электрической энергии (в комплекте с электрогенератором) для привода тепловых насосов, вентиляторов и т.п.в системе отопления и вентиляции зданий, сооружений, бункеров, бомбоубежищ и т.д. Тепловая энергия выпускных газов может использоваться для подогрева приточного воздуха, теплого пола, водокольцевой системы и других нужд теплохладоснабжения.
Для данной области применения обычно используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), конструкция которых изначально приспособлена для различных видов транспорта: автомобильные, тепловозные, судовые и т.д. Ресурс до капитального ремонта для автомобильных двигателей, например, в 10000 моточасов обычно считается достаточным. При использовании таких двигателей, переведенных на газ, в составе газопоршневых электростанций требуется их значительное дефорсирование по нагрузке (заряду цилиндра) и частоте вращения двигателя, чтобы обеспечить увеличение ресурса. Для дальнейшего повышения ресурса и надежности газопоршневых двигателей необходимо кардинально менять их конструкцию для снижения нагрузок на подшипники, цилиндры и поршни.
Аналог по назначению - газопоршневой ДВС ЯМЗ-238Г, используемый в электростанции АП-100. Наиболее близкий аналог, который можно принять за прототип по конструкции двигателя, описан в DE 19905057 А1, 17.08.2000, всего 4 с, столбец 1 строки 53-68, столбец 2 строки 1-27, фиг. 1.
Конструкция предлагаемого газопоршневого ДВС позволяет решить задачу повышения ресурса непрерывной работы до капремонта.
Техническим результатом будет исключение боковых нагрузок на поршень, уменьшение неравномерности вращения двигателя, повышение ресурса до капремонта, снижение шума и вибрации, повышение механического КПД и экономичности двигателя, возможность изготовления на неспециализированном (по двигателестроению) предприятии.
Заявляемый газопоршневой ДВС изображен на фиг. 1 и фиг. 2. Он состоит из сварного корпуса, выполняющего и функцию масляного картера 1, в которую монтируются два цилиндра 2 и все детали и агрегаты. Внутри гильз цилиндров 2 вставлен поршень 3, один на два цилиндра. На один поршень 3 в заявляемом двигателе приходится не один поршневой 4 и шатунный 5 подшипники, а четыре. Конструктивная схема исключает возникновение боковой нагрузки на поршень 3. Это повышает механический КПД и уменьшает износ трущихся деталей. Вместо коленчатого вала - четыре кривошипа 6. Каждый шатун 7 несет нагрузку в четыре раза меньшую, чем шатун в прототипе и может быть изготовлен из легкого сплава, например алюминиевого. Подшипники поршневые 4, шатунные 5 и коренные 8 могут быть выполнены из втулок, а не вкладышей как в прототипе и несут нагрузку как минимум в четыре раза меньшую, чем в прототипе. Диаметр коренных шеек с целью унификации может быть принят равным шатунным. Кривошипы 6 воспринимают только нагрузку от одного шатуна 7 и крутящий момент от соседнего шатуна не передают. Это упрощает конструкцию кривошипов 6, которые могут быть получены запрессовкой пальца шатунной шейки кривошипа и валов коренных шеек в щеки, то есть собираются из отдельных деталей. Противовесы в щеках кривошипов (на фиг. 1 и фиг. 2 условно не показаны) уравновешивают только силы инерции вращательно движущихся масс. Кинематическая связь кривошипов выполняется зубчатой передачей. Вдоль линии движения поршня 3, связь осуществляется с помощью пяти зубчатых колес 9 одинакового диаметра. Шестерня 10 привода распределительных валов 12 входит в зацепление с зубчатыми колесами 11, которые и осуществляют этот привод. Синхронизация вращения кривошипов в направлении перпендикулярном оси движения поршня выполняется валами 13 и 14 с шестернями 15 и 16 вдвое меньшего диаметра, чем зубчатые колеса 9. Зубчатые колеса 9 большого диаметра, поэтому нагрузки в зацеплении низкие. Большое количество зубчатых колес 9 и 20 большого диаметра устраняют возникающую из-за малого количества цилиндров 2 неравномерность вращения двигателя, т.к. имеют значительный момент инерции. Маховик не требуется. Валы 18 и 19 (под валом 18) имеют четыре зубчатых колеса 20 с противовесами 22, которые уравновешивают силы инерции первого порядка возвратно-поступательно движущихся масс. Валы 14 и 21 (под валом 14) имеют две шестерни 16 и шестерню 17 и противовесы 23, которые уравновешивают силы инерции второго порядка возвратно-поступательно движущихся масс. Шестерни 16 и 17 в два раза меньшего диаметра, чем зубчатые колеса 9 и 20. Шестерня 17 приводится от зубчатого колеса 20 без противовеса и с зубчатым колесом 9 в зацепление не входит. Уравновешивание сил инерции второго порядка необходимо, потому что заявляемый газопоршневой ДВС может работать в непосредственной близости от жилых помещений и должен иметь низкие шум и вибрацию. Заявляемый газопоршневой ДВС может быть выполнен как в четырехтактном, так и в двухтактном исполнении. Четырехтактное исполнение предпочтительнее для данного предназначения, так как форсирование по числу циклов на оборот в двухтактном исполнении будет уменьшать ресурс. В качестве системы зажигания применяется система зажигания двухцилиндрового ДВС с соответствующей регулировкой порядка чередования вспышек. Гильзы цилиндров 2 и головки цилиндров с клапанами и механизмом газораспределения могут быть заимствованы с тепловозного дизеля 211Д1. Это позволяет не производить их самостоятельно. Регулировка механизма газораспределения изменяется под газовый двигатель с искровым зажиганием. Расчетная мощность заявляемого газопоршневого ДВС в случае такого заимствования составит 125 кВт. В гнезда для форсунок устанавливаются свечи зажигания. Функцию масляного радиатора может выполнять корпус 1 за счет большой площади поверхности днища. Моторное масло, растекаясь по днищу, отдает ему свое тепло, которое через днище уходит в окружающую среду, обеспечивая полностью или частично отопление помещения, в котором находится заявляемый газопоршневой ДВС. Имея большой объем в корпусе 1 для моторного масла можно реже производить замены этого масла и обойтись без фильтра тонкой очистки масла одним лишь фильтром его грубой очистки.
Боковая нагрузка на поршень 3 отсутствует только в том случае, если все кривошипы вращаются в одном направлении, например, по часовой стрелке или против нее. Если изменить направление вращения половины из них, находящихся по одну сторону от оси поршневого пальца, на противоположное, то боковая нагрузка на поршень сохранится. Эта ситуация возникает, когда количество зубчатых колес 9, связывающих кривошипы правой или левой стороны по отношению к оси поршневого пальца, четное. Поэтому в заявляемом газопоршневом ДВС количество зубчатых колес 9 нечетное.
Заявляемый газопоршневой ДВС имеет специальную масляную форсунку (на фиг. 1, фиг. 2 условно не показана) для подачи моторного масла во внутреннюю полость поршня. Так реализуется охлаждение поршня моторным маслом. Существует тенденция повышения экономичности двигателя при увеличении диаметра цилиндра. Для достижения требуемой мощности в заявляемом газопоршневом ДВС применяются цилиндры большего, чем в аналоге по назначению диаметра. Это может привести к повышению экономичности двигателя. Ожидаемый ресурс до капремонта 60000 ч. В качестве заготовок зубчатых колес используются списанные колесные пары железнодорожных вагонов.