Двухтактный гибридный двигатель с преобразованием в работу отходящей теплоты ДВС и дожиганием выхлопных газов (варианты)
TWO-STROKE HYBRID ENGINE WITH CONVERSION OF COMBUSTION ENGINE WASTE HEAT INTO WORK AND AFTERBURNING OF EXHAUST GASES (VARIANTS)

Изобретение относится к области энергетики - поршневым двигателям внутреннего сгорания и двигателям с внешним подводом теплоты.
Уровень техники.
Известно немало способов повышения энергетической эффективности двигателей внутреннего сгорания (ДВС) за счет использования «отходящей» теплоты посредством гибридизации с другими устройствами преобразования тепловой энергии в механическую работу, например, «Способ повышения кпд двигателя внутреннего сгорания за счет утилизации тепловой энергии двигателя» патент РФ №2117803 (опубликован 20.08.1998 г.), с испарением воды и расширением пара для получения дополнительной полезной работы.
Недостатком такого гибрида - является замерзание в зимний период воды, из которой получают пар и преобразуют отходящую теплоту ДВС в работу.
Преобразователями отходящей теплоты ДВС в дополнительную полезную работу в гибридах могут быть использованы и двигатели Стерлинга, относящиеся к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ).
Но у «стирлингов», помимо достоинств, имеется и целый ряд недостатков: громоздкость и нетехнологичность нагревателя, необходимость наличия «капризного» регенератора, сложные расчет, проектирование и изготовление.
Из уровня техники известен более простой, свободный от этих недостатков, преобразователь тепловой энергии в механическую работу (прототип 1) - «Тепловой двигатель с бесклапанным газораспределением», описанный в патенте RU 2576077 (27.02.2016 г.), также относящийся к категории ДВПТ.
Этот двигатель содержит рабочую камеру, образованную цилиндром с головкой и поршнем, вытеснительную полость и газоходные каналы-сопла, связывающие ее с рабочей камерой и образующие газораспределительный механизм, а также нагреватель и холодильник (согласно п. 1 формулы). При этом нагреватель двигателя может для генерации теплоты содержать камеру сгорания (сжигания) топливной смеси, смежную с рабочей камерой ДВПТ.
Реализуя «имплазный» способ работы тепловой машины, то есть пространственно-временной замкнутый цикл «активной» регенерации теплоты сжатия с переносом ее из такта сжатия в такт расширения, а именно: плазменно-вихревую активацию (с принудительной радикализацией и саморелаксацией) рабочего газа с переносом теплоты сжатия в такте сжатия из пространства объема рабочей камеры на внутреннюю поверхность металлических стенок рабочей камеры с аккумулированием, а затем обратно в такте расширения - двигатель с внешним подводом теплоты, дополнительно содержащий активатор рабочего газа, преобразующий рабочую камеру в плазменный вихревой реактор «plasmoid vortex reactor (PVR)» (согласно п. 10 формулы) - осуществляет меньшее «тепловое загрязнение» окружающей среды благодаря увеличению КПД (коэффициента полезного действия) ДВПТ.
Также наличие активатора (ввода плазмообразующей энергии активации рабочего газа) в плазменной вихревой камере, согласно полезной модели патент РФ №151391(10.04.2015 г.) «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой», позволит использовать возможность по высвобождению «иной» тепловой энергии с преобразованием ее в дополнительную механическую работу и обеспечением режима «бестопливной» работы теплового двигателя за счет энергии плазменной активации и имплазного способа его работы (аналогично осуществляются «холодные» низкоэнергетические ядерные реакции «LENR» (англ. LENR: low-energy nuclear reactions) в PVR-реакторах: с кратным (3-7…100 раз) превышением выделенной энергии над затраченной).
Последние двигатели имеют свои, подлежащие нивелированию, недостатки:
- низкая приемистость двигателя из-за тепловой инерционности нагревателя;
- двигателю с высокой удельной мощностью для теплопитания нагревателя необходим специальный малогабаритный генератор высокопотенциальной высокоплотной тепловой энергии (как то, например, миниатюрный ядерный реактор («ЯР») или радионуклидный источник теплоты («РИТ»), или «зайчик» гелиоконцентратора), а не просто камера сгорания для генерации теплоты сжиганием горючей смеси при атмосферном давлении, имеющая, в этом случае, значительные массовые и габаритные параметры и характеристики.
В целях миниатюризации - необходимо уменьшать камеру сгорания ДВПТ при одновременном повышении величины плотности теплового потока через стенку нагревателя ДВПТ к рабочему телу (газу) ДВПТ посредством сжигания сжатой топливной смеси в ограниченной по объему камере сгорания ДВПТ.
Таким образом, для приготовления сжатой топливной смеси необходимо иметь отдельное устройство, которое будет сжимать воздух, готовить на его основе топливную смесь и подавать ее в камеру сгорания ДВПТ для сжигания.
Причем, если камера сгорания открытого типа - то, предварительно сжатая, горящая топливная смесь факелом будет вылетать из камеры сгорания.
Если камера сгорания ДВПТ закрытого типа - тогда нужны входные и выходные клапаны газораспределения, да еще, желательно, произвести «детандирование» раскаленных продуктов горения. А это устройство есть не что иное как двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Отсюда вытекает техническое решение - использовать камеру ДВС как камеру сгорания ДВПТ.
Отличительная особенность этого решения заключаются в том, что в качестве камеры сгорания ДВПТ выступает камера внутреннего сгорания ДВС, при этом стенка нагревателя, отделяющая рабочую камеру ДВПТ от смежной камеры сгорания ДВПТ, становится подвижной и выполняется в виде двустороннего рабочего поршня, являющегося общим для ДВПТ и для ДВС, а общая внутренняя цилиндрическая поверхность нагревателя за счет возвратно-поступательного движения двустороннего поршня попеременно становится либо поверхностью рабочей камеры внутреннего сгорания, принимающей теплоту от сгорания топливо-воздушной смеси, либо поверхностью рабочей камеры с подводом теплоты, отдающей ранее полученную теплоту от сгорания горючей смеси расширяющемуся рабочему газу (рабочему телу), производящему дополнительную полезную работу за счет утилизации отходящей теплоты ДВС, то есть разные двигатели становятся единым гибридом: ДВС+ДВПТ, причем, в этом случае, ДВПТ становится не только двигателем с внешним (через стенку нагревателя) подводом теплоты, но и двигателем с внутренним (от стенки нагревателя) подводом теплоты сгоревшей (внутри камеры) топливной смеси посредством организации взаимодействия рабочего тела с внутренней цилиндрической поверхностью нагревателя, например, «вихревым ометанием с прижатием».
Приемистость подобного гибрида ДВС+ДВПТ определяется приемистостью ДВС, нивелирующей тепловую инерционность нагревателя ДВПТ.
Требования же к такому ДВС, как к двигателю, уходят на второй план (нет необходимости в высокой степени сжатия, в излишнем обеднении горючей смеси), а на первый план выдвигается обеспечение «чистой» теплотой ДВПТ.
2
2
При этом, в качестве «чистого» топлива для ДВС и одновременно в качестве рабочего тела (газа) для ДВПТ в его плазменно-вихревом варианте может быть использован сжиженный водород (Н) или синтез-газ (смесь Н+СО), сжиженный природный газ (СПГ) или другие разновидности газомоторных топлив, например, СНГ (сжиженный нефтяной газ) - смесь пропана и бутана.
Необходимо отметить, если в ранее существующих «подходах к комбинированию» основой гибридов был ДВС, а ДВПТ «приспосабливали» к отбору и преобразованию теплоты отходящих газов и теплоты охлаждения камеры сгорания ДВС - целью и существенной особенностью последних подходов является то, что «заглавной фигурой» гибридов становятся ДВПТ.
Эти цели достигаются использованием ДВС, имеющего встроенный продувочный воздушный компрессор, не столько в качестве генератора механической энергии, в функционале которого использование теплоты сгорания топливной смеси составляет 25-35%, а еще и - в качестве генератора высокоплотной тепловой энергии, совокупно питающей двигатель с внешним подводом теплоты ДВПТ - теплотой охлаждения цилиндра ДВС и теплотой отходящих газов ДВС, на которые приходятся оставшиеся 65-75% теплоты.
Из уровня техники известно устройство: «Аэродинамический клапан для камеры пульсирующего горения» (SU 459612, публикация 05.02.1975 г.), где использовано соединение коаксиальных цилиндрических камер (полостей) газоходными каналами с радиальной и тангенциальной (т.е. «вихревой», точнее - «вихреобразующей») направленностью, реализующими эффект обратного аэродинамического клапана (газораспределителя), определенные «забытые» особенности которого все чаще применяются в изобретениях.
Так из уровня техники известен «Двухтактный ДВС с аэродинамическим клапаном в поршне и преобразованием теплоты отходящих газов (варианты)»
- патент RU 2706091, публикация 13.11.2019 г.: тепловой гибридный двигатель (принятый за прототип 2), включающий в свой состав помимо различных систем питания, смазки, охлаждения, воздухоподачи и других, корпус-картер с, как минимум, одной парой противофазных цилиндров, содержащих рабочие камеры продувочных компрессоров и рабочие камеры внутреннего сгорания с утилизацией отходящей теплоты посредством теплопитания рабочих камер с внешним подводом теплоты, также входящих в состав цилиндров.
При своей привлекательности, двигатели (прототипы 2) имеют некоторые недостатки, ограничивающие их возможности и усложняющие конструкции:
- необходимость наличия непременно двух (пары) противофазных цилиндров;
- необходимость наличия внешних межцилиндровых воздушных магистралей;
- недостаточная производительность (дебит) воздушных продувочных компрессоров, обусловленная конструктивными особенностями;
- примененный механизм преобразования возвратно-поступательного движения штоков с поршнями во вращательное движение вала, выполненный по крейцкопфной или бесшатунной схеме - ограничивает возможности использования другой, получившей широчайшее распространение: кривошипно-шатунной схемы механизма преобразования (КШМ).
Сущность изобретения.
Задачей изобретения является устранение вышеизложенных недостатков путем создания одноцилиндровой версии простого (с длительным моторесурсом) гибридного двигателя с достаточной приемистостью и повышенными мощностью и КПД за счет внутреннего сгорания топливной смеси и утилизации отходящей теплоты, с минимальными весом и габаритами.
Заявленная цель может быть достигнута использованием ДВС (имеющего встроенный не однокамерный, а двухкамерный последовательного двухступенчатого сжатия с внутрицилиндровыми обратными клапанами и каналами перепуска сжимаемого воздуха/смеси продувочный воздушный компрессор) как в качестве генератора механической энергии, так и в качестве генератора высокоплотной тепловой энергии, совокупно питающей двигатель с внешним подводом теплоты - теплотой охлаждения цилиндра ДВС и теплотой отходящих газов ДВС, с дожиганием отходящих выхлопных газов.
В варианте №1 решение поставленной задачи обеспечивает гибридный двигатель, имеющий системы управления, смазки, охлаждения, воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, корпус-картер с расположенным в нем механизмом преобразования поступательного движения штока с поршнями во вращательное движение вала, содержащий согласно изобретению, как минимум один, ступенчатый цилиндр с головкой и днищем, включающий в себя камеру дожигания постоянного объема, две смежные противофазные рабочие тепловые камеры и две смежные противофазные рабочие камеры воздушного компрессора, образованные с участием поверхностей сдвоенных через межпоршневую юбку двусторонних теплового и компрессорного ступенчатых поршней, а также разделенные теплоизолятором нагреватель и холодильник, при этом, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, внутренняя поверхность цилиндрической части которой с разделяющей объемной кольцевой диафрагмой образуют совместно с днищем цилиндра, поверхностями двустороннего подъюбочного компрессорного поршня, межпоршневой юбки и штока две смежные противофазные кольцевые рабочие камеры воздушного компрессора, нагреватель выполнен в виде объемной внутренней рубашки цилиндра с объемным днищем, в которой головка цилиндра и надпоршневая поверхность надъюбочного теплового поршня образуют заполненную газообразным рабочим телом рабочую или плазменно-вихревую с вводом плазмообразующей энергии рабочую камеру с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным тангенциальным каналом с вытеснительной полостью выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем и холодильником, а днище нагревателя, подпоршневая поверхность надъюбочного теплового поршня и межпоршневой юбки образуют кольцевую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, как минимум один канал отходящих газов из камеры внутреннего сгорания размещен в теле нагревателя и его днища, таким образом, что позволяют поршню при возвратно-поступательном движении осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня газоходных каналов выходящих на боковую поверхность межпоршневой юбки для связи камеры сгорания как с каналами в нагревателе и его днище, так и с камерами воздушного компрессора, камера дожигания является частью канала отходящих газов размещенного в теле нагревателя и выполнена в виде пустотелой обечайки, а канал отходящих газов размещенный в теле днища нагревателя выполнен тангенциальным.
Использование компрессора с двумя разнообъемными смежными противофазными рабочими камерами сжатия воздуха или топливной смеси и последовательным «перепуском» их через внутрицилиндровые каналы - исключает необходимость во внешних межцилиндровых газоходах, с другой стороны - снимает ограничения на диаметр «компрессорного» двустороннего поршня, позволяя увеличить производительность воздушного компрессора, и, как следствие - увеличить совокупную мощность гибридного двигателя.
При этом простое бесклапанное газораспределение для работы камеры внутреннего сгорания обеспечивается газораспределительными каналами, расположенными в теле поршня при его возвратно-поступательном движении.
Применение, размещенной в объемном теле нагревателя, полости в виде коаксиальной пустотелой обечайки (разделяющей нагреватель на внутреннюю и наружную секции) в качестве объединенной части каналов отходящих газов из камеры внутреннего сгорания с их завихрением посредством тангенциального канала (каналов), расположенного в теле днища нагревателя, и с «ометающим вихревым прижатием» не к внутренней, а к внешней цилиндрической поверхности пустотелой обечайки, являющейся внутренней поверхностью стенки наружной секции нагревателя - позволяет разделить (распределить) протяженную поверхность нагревателя на две части не только конструктивно, но и по температуре: «высокотемпературную» внутреннюю (для увеличения удельной мощности ДВПТ) и «низкотемпературную» наружную для наилучшего отбора теплоты у отходящих газов и максимального понижения их температуры на выходе гибридного двигателя (при этом, начиная рабочий процесс расширения предварительно сжатого рабочего газа с его взаимодействия в вытеснительной полости с поверхностью «низкотемпературной» части нагревателя), и обходиться одним ДВПТ (одной рабочей камерой с подводом теплоты и одним нагревателем). В противном случае, было бы необходимо иметь два ДВПТ: один с высокотемпературным нагревателем для теплопитания расширяющегося рабочего газа с охлаждением стенок камеры сгорания ДВС, другой - с низкотемпературным нагревателем для отбора теплоты у отходящих из камеры сгорания ДВС газов.
Соответственно, возможна температурная инверсия секций нагревателя, т.е. внутренняя - «низкотемпературная», наружная - «высокотемпературная».
При этом - температуры стенки внутренней секции нагревателя задаются из условия оптимальности рабочих процессов в рабочих камерах ДВС и ДВПТ.
А использование в теле нагревателя пустотелой обечайки не только в качестве общего канала отходящих газов с их завихрением, но и в качестве камеры для «дожигания» отработанных газов (с получением дополнительной теплоты и ее преобразованием в полезную работу) - позволяет улучшить «экологию» выхлопа, при этом обратному поступлению выхлопных газов в камеру сгорания при еще не закрытом поршневом канале отходящих газов будет препятствовать эффект их аэродинамического «запирания» завихрением.
То есть, по сути, обретается еще одна камера сгорания - камера постоянного объема с возможностью «дожигания» отходящих газов (содержащих горючие компоненты рабочего газа «просочившиеся» из рабочей камеры с подводом теплоты в такте сжатия рабочего газа в рабочую камеру внутреннего сгорания в ее такте расширения, а также «недогоревшие» компоненты топливовоздушной смеси, в том числе и по причине пропусков зажигания в рабочей камере ДВС) с повышением их температуры для теплопитания наружной секции нагревателя внешним подводом теплоты. Эта камера «дожигания» имеет постоянно открытый газоходный выход в атмосферу через выхлопную систему, а на входе - обратный аэродинамический клапан (с завихрением газа) и поршневое золотниковое запирание газоходного канала.
В системе (рабочих камер компрессора) подачи продувочного воздуха или горючей смеси с целью повышения дебита и давления также используются аэродинамические обратные клапаны, выполненные в виде торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, входным радиальным каналом, и, как минимум одним, выходным тангенциальным каналом.
Применение в системе газораспределения аэродинамических обратных клапанов не имеющих подвижных элементов - заметно упрощает конструкцию, увеличивая надежность, моторесурс и долговечность двигателя.
Для усиления «запирающего» эффекта примененных аэродинамических обратных клапанов в каналах газораспределения воздушного компрессора, его система газораспределения, как на «входе», «по ходу», так и на «выходе» может содержать механические клапаны, выполненные в виде вращающихся золотниковых газораспределителей (дисковых, цилиндрических, конусных) с «окнами» или каналами, либо самодействующие клапаны лепесткового или диафрагменного типа, либо управляемые клапаны других типов, при этом примененные аэродинамические клапаны будут способствовать «разгрузке» механических клапанов и уменьшению доклапанных и межклапанных («мертвых») объемов во всасывающих и нагнетающих магистралях.
Размещение газораспределительного канала (каналов) подвода в камеру сгорания воздуха или горючей топливовоздушной смеси непосредственно в теле объемного ступенчатого рабочего поршня гибридного двигателя в районе межпоршневой юбки - позволяет применить (для улучшения наполнения двухтактной камеры сгорания горючей смесью/воздухом при уже закрытом канале отходящих из камеры газов после «продувки» камеры сгорания) еще один аэродинамический обратный клапан, размещенный в теле поршня и выполненный в виде коллинеарной или соосной с поршнем торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, приосевым радиальным входящим в полость каналом, связывающим полость с проходящим в теле поршня каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом, выходящим через внешнюю боковую стенку из торообразной полости на боковую поверхность межпоршневой юбки поршня для связи с камерой сгорания и подачи воздуха или топливовоздушной смеси.
Применение данного аэродинамического обратного клапана в поршне, а также канала отходящих газов в теле цилиндрической части нагревателя в виде пустотелой обечайки с завихрением с помощью канала в днище нагревателя - освобождает от необходимости возврата из выхлопной системы обратно в камеру сгорания выброшенной в процессе продувки топливовоздушной смеси, а значит от необходимости делать выхлопную систему резонансной, и, как следствие, отказаться от наличия классических громоздких объемных труб - резонаторов выхлопа для каждого цилиндра двухтактного двигателя (ДВС).
Для повышения надежности и моторесурса двигатель может иметь составной поршень, тело которого в районе газоотходящих каналов межпоршневой юбки выполнено из жаропрочного металлического сплава, керамики, композитных материалов, что позволит избегать «прогара» от температурной деструкции и освободиться от проблем теплонапряженности поршней, присущих двухтактным ДВС, последствием которых является их «растрескивание».
Так же, ступенчатый поршень изнутри может быть выполнен в виде «тепловой трубы», передающей теплоту, отобранную от поверхности стенок газоходного канала отходящих газов, размещенного в поршне, межпоршневой юбки и подпоршневой поверхности надъюбочного теплового поршня - к надпоршневой поверхности надъюбочного теплового поршня, от которой в рабочей камере с подводом теплоты происходит отбор теплоты рабочим газом при расширении с преобразованием ее в полезную работу.
Для эффективной теплопередачи от подпоршневой поверхности (юбки и поршня) к надпоршневой - пустотелый поршень может быть заполнен легкоплавким металлом или сплавом металлов с высокими коэффициентами теплопередачи, например, натрием, или «эвтектикой» металлов.
Двигатель для «эффективного дожигания» отходящих газов может, согласно изобретению, содержать дополнительный канал подачи порций воздуха непосредственно в камеру дожигания - минуя камеру сгорания, при этом канал может проходить через дополнительный аэродинамический клапан и поршень, осуществляя охлаждение стенок канала выхлопных газов в поршне.
Изобретение может быть применено для проектирования двигателей, содержащих в составе преобразователя движения крейцкопфные механизмы.
Применение же механизма преобразования возвратно-поступательного движения штоков с поршнями во вращательное движение выходного вала отбора мощности выполненного не крейцкопфным, а, например, по бесшатунной схеме (с эксцентриковыми втулками на «шатунной» шейке коленчатого вала и «направителями», или с планетарно вращающимся коленчатым валом и «направителями») - имеет свои «плюсы», так как способствует, с одной стороны, движению поршней по закону близкому к гармоническому, что исключает вибрации высших порядков двигателя, с другой стороны, увеличивает время «выстоя» - пребывания поршней в крайних мертвых точках, а это ведет к более лучшему сгоранию топливной смеси при постоянном объеме в камере сгорания, а также способствует увеличению времени на «продувку» камеры сгорания, улучшая газообмен.
Применение бесшатунного механизма еще и увеличивает механический КПД двигателя за счет устранения бокового давления поршней на цилиндрические поверхности рабочих камер, что, с одной стороны, способствует уменьшению износа, а значит - увеличению долговечности, с другой стороны - уменьшению трения в парах поршень-цилиндр, а значит обеспечивает возможность их работы при отсутствии смазки маслом и при отсутствии уплотняющих компрессионных колец вовсе, или замене их на композитные.
При этом, максимальную выгоду от бесшатунного механизма можно получить только тогда, когда все элементы механизма поочередно и равномерно участвуют в передаче момента полезной работы в течение полного оборота коленчатого вала. А это возможно только при крестообразной (Х-образной) компоновке цилиндров на таком двигателе, что перспективно для компоновок «авиационных звездообразных» моторов малой и средней авиации, в том числе для беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) дальнего действия, а также глиссерных лодок, катеров, яхт и судов на воздушной подушке (СВП).
+
Учитывая особенности рабочих процессов гибрида ДВС+ДВПТ («сглаженные» ударные механические и температурные «нагрузки» на цйлиндро-поршневую группу и механически «разгруженный» от сжатия рабочего газа до 20МПа коленчатый вал бесшатунного механизма) - появляется возможность при «авиационном исполнении двигателя» применять для изготовления элементов двигателя сплавы из «легких» металлов с микродуговым оксидированием (МДО) поверхностей или с их плазменно-электролитическим оксидированием (ПЭО): так картер-корпус, «холодильник» (внешняя рубашка цилиндра), коленчатый вал, штоки с «направителями» могут быть изготовлены из магниевых сплавов, а «нагреватель» (внутренняя рубашка цилиндра) - из алюминиевого сплава (с жаростойкими гильзами, покрытиями, напылением), по разрабатываемым в поршневом двигателестроении новым технологиям с использованием интерметаллидов и композитных материалов, что резко снизит вес двигателя.
Устранение недостатка в виде обязательного наличия, «как минимум, пары противофазных цилиндров» - расширяет компоновочные возможности при проектировании как многоцилиндровых двигателей (каждый цилиндр становится самостоятельной самодостаточной «рабочей единицей»), так и использовать одноцилиндровый вариант для «моторизации» огромнейшего количества разнообразной техники и инструмента (пилы, триммеры, буры, косилки, помпы, электрогенераторы, снегоуборщики, культиваторы и другое).
При том, что бесшатунные и крейцкопфные механизмы преобразования движения обладают рядом преимуществ, тем не менее, исторически сложилось так, что они не получили такого широчайшего применения и распространения как кривошипно-шатунные механизмы (КШМ), а значит - гибридные двигатели с КШМ так же могут найти свое широкое применение.
В варианте №2, создание мотора с использованием КШМ обеспечивается тем, что двигатель, имеющий системы управления, смазки, охлаждения, воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, корпус-картер с расположенным во внутрикартерной полости механизмом преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала, содержащий согласно изобретению, как минимум один, совмещенный с внутрикартерной полостью ступенчатый цилиндр с головкой, включающий в себя камеру дожигания постоянного объема, две смежные противофазные рабочие тепловые камеры и две смежные противофазные рабочие камеры воздушного компрессора, образованные с участием поверхностей сдвоенных через межпоршневую юбку двусторонних теплового и компрессорного ступенчатых поршней, а также разделенные теплоизолятором нагреватель и холодильник, при этом, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, внутренняя поверхность цилиндрической части которой с разделяющей объемной кольцевой диафрагмой, поверхностями межпоршневой юбки и двустороннего подъюбочного компрессорного поршня совместно с внутрикартерной полостью образуют две смежные противофазные рабочие камеры воздушного компрессора, нагреватель выполнен в виде объемной внутренней рубашки цилиндра с объемным днищем, в которой головка цилиндра и надпоршневая поверхность надъюбочного теплового поршня образуют заполненную газообразным рабочим телом рабочую или плазменно-вихревую с вводом плазмообразующей энергии рабочую камеру с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным тангенциальным каналом с вытеснительной полостью выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем и холодильником, а днище нагревателя, подпоршневая поверхность теплового поршня и межпоршневой юбки образуют кольцевую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой тепловой камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, как минимум один канал отходящих газов из камеры внутреннего сгорания размещен в теле нагревателя и его днища, таким образом, что позволяют поршню при возвратно-поступательном движении осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня газоходных каналов выходящих на боковую поверхность межпоршневой юбки для связи камеры сгорания как с каналами в нагревателе и его днище, так и с камерами воздушного компрессора, камера дожигания является частью канала отходящих газов размещенного в теле нагревателя и выполнена в виде пустотелой обечайки, а канал отходящих газов размещенный в теле днища нагревателя выполнен тангенциальным.
Двигатель в варианте 2 позволяет для преобразования движения использовать как бесшатунный механизм, кривошипно-шатунный механизм (КШМ), так и множество других разнообразных схем механизмов преобразования прямолинейного движения поршней во вращательное движение вала (с «обособленными» внутрикартерными полостями для каждого цилиндра).
Использование же КШМ позволит без существенного изменения технологического оборудования и изменения специфики производства изготавливать двигатели на имеющемся оборудовании значительного количества действующих моторных заводов и быстро наладить выпуск серийных образцов гибридных двигателей различного назначения с КШМ.
Перечень фигур чертежей.
Вышеуказанные и иные аспекты и преимущества настоящего изобретения раскрыты в нижеследующем подробном его описании, приводимом со ссылками на чертежи, на которых изображены:
на фиг. 1 и фиг. 2, представлен общий вид гибридного двигателя (вариант №1) в продольных сечениях А-А и Б-Б;
на фиг. 3, 4, 5, 6 - поперечные сечения В-В, Г-Г, Д-Д, Е-Е фигуры 2.
Двигатель содержит корпус-картер 1, с расположенным в нем механизмом преобразования поступательного движения штока 2 во вращательное движение вала 3 на эксцентриковой втулке 4, ступенчатый цилиндр 5 с головкой 6 и днищем 7, включающий в себя камеру дожигания постоянного объема 8, две смежные противофазные рабочие тепловые камеры 9-10 и две смежные противофазные рабочие камеры воздушного компрессора 11-12, образованные с участием поверхностей сдвоенных через межпоршневую юбку двусторонних теплового и компрессорного ступенчатых поршней, а также разделенные теплоизолятором 13 нагреватель 14 и холодильник 15, при этом, холодильник выполнен в виде внешней рубашки цилиндра, внутренняя цилиндрическая поверхность 16 части которой с разделяющей объемной кольцевой диафрагмой 17 образуют совместно с днищем цилиндра 7, межпоршневой юбкой 18, штоком (2) и поверхностями 19 и 20 двустороннего подъюбочного компрессорного поршня две смежные кольцевые рабочие камеры (11 и 12) воздушного компрессора, нагреватель выполнен (14) в виде объемной внутренней рубашки цилиндра с объемным днищем 21, в которой головка цилиндра (6) и надпоршневая поверхность 22 надъюбочного теплового поршня образуют заполненную газообразным рабочим телом рабочую или плазменно-вихревую с вводом плазмообразующей энергии рабочую камеру (9) с подводом теплоты, связанную, как минимум одним, газоходным тангенциальным каналом 23 с вытеснительной полостью 24 выполненной в виде пустотелой обечайки и расположенной между нагревателем (14) и холодильником (15), а днище нагревателя (21), межпоршневая юбка (18) и подпоршневая поверхность 25 надъюбочного теплового поршня 26 образуют кольцевую рабочую камеру (10) внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой тепловой камерой (9) общую внутреннюю цилиндрическую поверхность 27 нагревателя, как минимум один канал 28 отходящих газов из камеры внутреннего сгорания (10) размещен в теле нагревателя (14), а канал 29 в теле его днища (21), таким образом, что позволяют поршню при возвратно-поступательном движении осуществлять золотниковое газораспределение с помощью расположенных в теле поршня газоходных каналов 30 и 31 (фиг. 4), выходящих на боковую поверхность межпоршневой юбки для связи камеры сгорания как с каналами в нагревателе и его днище, так и с камерами воздушного компрессора, в том числе через тангенциальный и радиальный каналы в аэродинамическом клапане 32 подъюбочного компрессорного поршня, камера дожигания является частью канала/каналов (28) отходящих газов размещенного в теле нагревателя и выполнена в виде пустотелой обечайки, а канал (29) отходящих газов размещенный в теле днища нагревателя выполнен тангенциальным.
Газораспределительный механизм двигателя, обеспечивающий работу камеры воздушного компрессора (попеременная отсечка камеры от всасывающего или от нагнетательного каналов) выполнен в виде аэродинамического обратного клапана (32), расположенного в теле подъюбочного компрессорного ступенчатого поршня, и аэродинамического обратного клапана 33, расположенного в теле днища (7) цилиндра и реализованного в виде торообразной пустотелой полости 34 (фиг. 6) с, как минимум одним, входным радиальным каналом 35, проходящим через внутреннюю боковую поверхность торообразной полости и связывающим полость с всасывающим каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом 36 соединяющим камеру воздушного компрессора с торообразной пустотелой полостью через ее внутреннюю и/или внешнюю боковую поверхность. Канал вывода сжатого воздуха или топливовоздушной смеси из подпоршневой камеры (12) воздушного компрессора в надпоршневую камеру (11) расположен в теле подъюбочного компрессорного поршня и выполнен в виде радиального канала, входящего через внутреннюю боковую поверхность в пространство торообразной пустотелой полости 37 (фиг. 2) аэродинамического обратного клапана (32), с выходом через тангенциальный канал.
Аэродинамический обратный клапан подачи воздуха или топливовоздушной смеси расположенный в теле межпоршневой юбки поршня и выполнен в виде торообразной пустотелой полости 38 (фиг. 5) с, как минимум одним, входным радиальным каналом 39, связывающим полость с проходящим в поршне каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом 40 выходящим на боковую поверхность межпоршневой юбки.
Двигатель работает следующим образом.
Работа воздушного компрессора.
При увеличении объема подпоршневой камеры 12 воздушного компрессора происходит наполнение камеры атмосферным воздухом/горючей смесью через каналы обратного клапана 33 размещенного в теле днища 7 цилиндра.
При уменьшении объема - выдавливание воздуха/горючей смеси из камеры 12 в надпоршневую камеру 11 воздушного компрессора через каналы обратного клапана 32 размещенного в теле компрессорного поршня, с увеличением компрессии за счет меньшего объема камеры 11 к объему камеры 12.
При увеличении объема подпоршневой камеры 11 воздушного компрессора происходит ее наполнение воздухом/горючей смесью из камеры 12.
При уменьшении объема - выдавливание воздуха/горючей смеси из камеры 11 компрессора в камеру внутреннего сгорания 10 через воздушный канал в теле поршневой юбки с повышением компрессии за счет меньшего объема камеры внутреннего сгорания 10 к объему камеры 11 воздушного компрессора.
Аэродинамический обратный клапан поочередно «отсекающий» камеры воздушного компрессора от всасывающей и нагнетающей магистралей, на примере обратного клапана 33 днища 7, работает следующим образом.
При увеличении объема камеры воздушного компрессора «забортный» воздух беспрепятственно (с некоторым пневматическим сопротивлением) поступает сначала через радиальные и затем через тангенциальные каналы в камеру воздушного компрессора, заполняя ее объем.
При уменьшении объема камеры воздушного компрессора происходит «выдавливание» воздуха из камеры через тангенциальные каналы в торообразную пустотелую полость, где он, «закручиваясь в вихрь», прижимается к ее внешней боковой поверхности и «не может попасть» в радиальные каналы всасывающей магистрали, выходящие на внутреннюю боковую поверхность полости, т.е. происходит «запирание» входного канала.
На «входе» воздушного компрессора могут быть установлены самодействующие клапаны и/или вращающийся дисковый золотниковый секторальный клапан, либо газораспределительные клапаны других типов, а также управляемые секторальные диски для корректировки начала и конца фаз впуска, а также секторный диск управления проходным сечением трактов для дросселирования проходящего газового потока - «акселератор».
На «входе» воздушного компрессора также могут быть установлены разнообразные нагнетатели воздуха (устройства предварительного наддува воздуха), ресиверы-аккумуляторы воздуха, карбюраторы, форсунки, датчики массового расхода воздуха (ДМРВ), теплообменники и другое оборудование.
В двигателе, выполненному по варианту №2 (фиг. 7), позволяющему использование кривошипно-шатунного механизма - шток и эксцентриковая втулка заменены шатуном с увеличением вдвое радиуса кривошипа коленчатого вала (удвоение радиуса кривошипа - условно не показано).
В этом варианте подпоршневая камера 12 воздушного компрессора дополняется «мертвым» пространством смежной внутрикартерной полости 46 (в результате чего несколько уменьшается дебит компрессора), а взамен обратного клапана 33 - применяется обратный клапан 47, установленный во всасывающем воздушном тракте перед входом во внутрикартерную полость.
Работа воздушного компрессора гибридного двигателя с КШМ в варианте №2 (фиг. 7), по сути, ничем не отличается от работы воздушного компрессора гибридного двигателя со штоком в варианте №1, показанного на фигурах 1-6.
Работа камеры с подводом теплоты.
При уменьшении объема надпоршневой рабочей (плазменно-вихревой рабочей) камеры 9 с подводом теплоты изначально наполненной рабочим газом (воздух, гелий, водород, углекислый газ, азот, метан, пропан-бутан, прочие моногазы или смеси), происходит его сжатие и выдавливание через тангенциальные каналы 23 в вытеснительную полость 24 с завихрением. За счет направленности вектора скорости вихревого потока рабочего газа к наружной стенке вытеснительной полости образованной внутренней стенкой холодильника (наружной рубашкой цилиндра) происходит «прижатие» потока рабочего газа к стенке с передачей теплоты сжатия холодильнику в результате взаимодействия. При этом взаимодействие вихревого потока рабочего газа с внутренней стенкой вытеснительной полости 24 (образованной наружной поверхностью нагревателя) не является определяющим. При остановке поршня в мертвой точке - вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости 24 прекращается трением и последующей газодинамикой.
При увеличении объема рабочей (плазменно-вихревой рабочей) камеры 9 с подводом теплоты происходит истекание сжатого рабочего газа из вытеснительной полости через тангенциальные каналы с «обратным» завихрением уже в рабочей камере с отбором теплоты за счет расширения газа как от наружной поверхности нагревателя в вытеснительной полости, так и от внутренней поверхности нагревателя внутри рабочей камеры с совершением полезной работы по перемещению поршня и передачей ее вращающемуся выходному валу. При этом рабочая камера и вытеснительная полость совокупно являются камерой подвода теплоты от поверхностей нагревателя.
При подаче в плазменно-вихревую камеру энергии активации (ионизации, диссоциации) рабочего газа через ввод 41 плазмообразующей энергии (активатор) в такте сжатия рабочего газа - реализуется эффект «активной» регенерации теплоты сжатия с переносом ее из такта сжатия в такт расширения, что способствует уменьшению количества теплоты сжатия, «сбрасываемой» в холодильник, а значит - увеличению теплового КПД как рабочей камеры с подводом теплоты, так и гибридного двигателя в целом.
Ввод плазмообразующей энергии активации рабочего газа может быть размещен в головке цилиндра и выполнен в виде источника искрового разряда, или источника дугового разряда, или источника лазерного излучения (свечи), или источника ионизирующего излучения, или в виде ввода от источника электромагнитного излучения, или в виде ввода от источника лазерного излучения, или в виде ввода от источника рентгеновского излучения.
В качестве плазмообразующего воздействия для активации рабочего газа с его принудительной радикализацией и саморелаксацией может быть использован микроволновый (сверхвысокочастотный) СВЧ-разряд, инициатором которого выступает высоковольтный искровой разряд (искра) от свечи зажигания.
Для «питания» плазмообразующего СВЧ-разряда необходима СВЧ-энергия.
Источником СВЧ-энергии могут выступать генераторы микроволновых электромагнитных колебаний с различными по принципу СВЧ-приборами.
Также для плазмообразования в рабочем газе могут быть использованы высокочастотные (ВЧ) электромагнитные колебания (ВЧЕ-разряд).
При этом, как представляется автору, наиболее востребованными будут генераторы со следующими, разрешенными для использования на территории Российской Федерации, номинальными частотами: 433,92 МГц, 915 МГц, 2450 МГц, 5800 МГц, генерируемые, в основном, СВЧ приборами - магнетронами.
Пример конструкций устройств плазменного (микроволново-искрового) зажигания для ДВС описан в патенте РФ №2418978 (публикация 20.05.2011 г.), где использованы магнетроны от бытовых СВЧ-печей с частотой 2450 МГц.
У автора имеются собственные «наработки» конструкций активатора рабочего газа: совмещенных микроволновой и искровой свечей зажигания (СВЧ-искровой сборки) с посадочной резьбой м18х1,5 и длиной резьбы 12 мм на базе свечи зажигания М8Т, а также в виде простой сборки с безрезьбовой посадкой.
Для гарантированного «зажигания» СВЧ-разряда без (или от) инициирующего высоковольтного искрового разряда в условиях высокой компрессии рабочего газа - дополнительно может быть использован еще и другой, автономный, активатор: «пушка»-контейнер («прожектор подсветки»), расположенный в поршне и выполненный в виде узконаправленного (в сторону СВЧ-ввода) осевого точечного радиоактивного источника ионизирующего излучения (аналогичные источники используются во входных приемных трактах мощных радиолокационных станций дальнего обнаружения (радаров) для защиты приемников от мощных импульсных помех, вызывающих свч-пробой в «ионизированном» участке тракта и гашение/отражение сигнала-зонда или сигнала-помехи на этом «короткозамыкающем» плазмоидном образовании).
Работа камеры внутреннего сгорания.
При уменьшении объема подпоршневой тепловой камеры 10, являющейся кольцевой камерой внутреннего сгорания, происходит сжатие ранее помещенных в нее из камеры 11 воздушного компрессора горючей смеси или воздуха (с впрыском топлива через форсунку 42) и воспламенение от воздействия высоковольтного искрового пробоя на свече зажигания 43. Выделившаяся при этом теплота нагревает сжатую смесь, от чего резко возрастает ее давление на подпоршневую рабочую поверхность надъюбочного поршня и производится полезная работа по перемещению поршня с ее передачей выходному валу и надпоршневой поверхности надъюбочного поршня для сжатия рабочего газа в рабочей камере 9 с подводом теплоты.
При этом, в целях улучшения температурного режима работы форсунок и свечей зажигания, они своими частями корпусов «посажены» (вставлены, ввернуты) в тело внешней рубашки цилиндра (холодильник), но распылителями и искровыми электродами «проникают» в камеру сгорания.
Необходимо также учесть, что, при «авиационном исполнении» гибридного двигателя, форсунки и свечи - должны быть продублированы в каждом цилиндре, при этом возможно их попарное размещение (форсунка + свеча зажигания) с входом в один «колодец», выполняющий функцию форкамеры.
Воспламенившаяся горючая смесь нагревает внутренние цилиндрические стенки камеры внутреннего сгорания, являющиеся по совокупности внутренней поверхностью нагревателя, а отходящие газы нагревают наружную поверхность нагревателя, являющуюся внутренней поверхностью вытеснительной полости, для чего канал (каналы) отходящих газов проложен в теле днища и стенок нагревателя. При этом, за счет того, что канал отходящих газов проложенный в стенке нагревателя выполнен в виде пустотелой обечайки, а канал, в днище нагревателя выполнен не радиальным, а тангенциальным - происходит завихрение раскаленных отходящих газов с «прижиманием» к наружной поверхности обечайки канала и передачей теплоты «низкотемпературной» поверхности нагревателя (внутренней поверхности вытеснительной полости) для камеры с подводом теплоты. Газоходы 44 на выходе из пустотелой обечайки канала отвода газов служат для выхлопа газов в атмосферу и объединены через выхлопные трубки 45 в единую выхлопную трубу (систему) для каждого и всех цилиндров двигателя.
Далее, при движении поршня и приближении объема камеры сгорания к максимуму - происходит соединение камеры сгорания через канал (каналы) размещенный в поршне с каналом (каналами) отходящих газов размещенным в теле днища и стенки нагревателя и, с некоторой задержкой, соединение каналов подачи воздуха с камерой сгорания. В результате в камере сгорания происходит «продувка» и газообмен с заменой сгоревшей порции газов на новую порцию воздуха или горючей смеси. При обратном движении поршня на уменьшение объема камеры сгорания - происходит отсечение камеры сгорания от каналов подачи воздуха/горючей смеси, затем - отходящих газов.
Вышеописанная петлевая «продувка» камеры сгорания имеет существенный недостаток - при одновременно открытых каналах происходит выброс из камеры сгорания части свежей порции воздуха/горючей смеси в канал отходящих газов, заметно снижающий газонаполнение камеры сгорания (в то же время надо отметить, что выброс части свежей порции воздуха в канал отходящих газов, будет способствовать дожиганию отходящих газов с их очищением до «экологических норм» и передачей теплоты в нагреватель).
Для усовершенствования этого момента - в канале подачи воздуха/горючей смеси (взамен или в дополнение) применен аэродинамический обратный клапан, расположенный в теле поршня и выполненный в виде торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, приосевым радиальным входным каналом, связывающим полость с проходящим в поршне каналом подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом, выходящим на боковую поверхность межпоршневой юбки и работающий следующим образом.
При движении поршня на открывание каналов, первым с камерой сгорания соединяется тангенциальный канал (каналы) аэродинамического клапана в поршне, при этом из-за высокого давления отходящие газы из камеры сгорания поступают по тангенциальному каналу (каналам) в торообразную полость аэродинамического клапана и, «закручиваясь» в вихрь, и, прижимаясь к наружной стенке полости - «запираются», и не могут попасть во входной канал (каналы) торообразной полости, т.е. отсекаются от канала подачи воздуха/топливовоздушной горючей смеси проходящего в теле поршня.
Затем, при соединении камеры сгорания с каналом (каналами) отходящих газов, их давление в камере сгорания из-за истечения резко падает, аэродинамический клапан «отпирается», и после закрытия каналов отходящих газов при дальнейшем обратном ходе поршня, через аэродинамический клапан происходит газонаполнение камеры сгорания новой порцией воздуха/горючей топливовоздушной смеси вплоть до «закрытия» (отсечения от камеры сгорания) тангенциального канала (каналов) поршневого аэродинамического клапана, выходящего на боковую поверхность межпоршневой юбки.
При газонаполнении камеры сгорания через тангенциальный канал (каналы) аэродинамического клапана происходит еще и завихрение выходящих потоков для лучшего перемешивания впрыснутой форсункой порции топлива.
Для компрессионного разделения рабочих камер друг от друга - гибридный двигатель (подобно адиабатному двигателю) может иметь несмазываемые (сухие) компрессионные уплотнения поршня, юбки и стенок рабочих камер (сжимные и обжимные кольца), выполненные из композитных материалов, а для отделения камеры воздушного компрессора от внутрикартерного пространства - обычные широко распространенные штоковые уплотнения.
При использовании в качестве как топлива, так и рабочего газа ДВПТ, (газообразных или сжиженных) синтез-газа, метана или пропан-бутановой смеси - при плотно притертых парах: стенка цилиндрического нагревателя - поршень, возможно обойтись без использования поршневых компрессионных колец между камерой с подводом теплоты и камерой внутреннего сгорания.
Поддержание оптимальных температур внутренней стенки камеры внутреннего сгорания и температуры отходящих газов на выходе гибридного двигателя при различных режимах его работы обеспечивается изменением начального (в начале такта сжатия) давления рабочего газа в рабочей камере с подводом теплоты за счет впрыска или стравливания порций рабочего газа (форсунки впрыска рабочего газа, клапаны стравливания и датчики давления рабочего газа - условно не показаны), уровнем подводимой мощности активирующей плазмообразующей энергии, а также регулированием элементов ДВС: управление положением дроссельной заслонки, управление фазами воздухоподачи, а также фазой и количеством впрыска топлива форсункой, управление моментом зажигания, преднаддувом воздуха, реализованным с помощью электронагнетателя или турбокомпрессора.
Дополнение теплового двигателя электрической машиной на валу: стартер/генератор/двигатель + воздухонагнетательный двигатель преднаддува с аккумуляторной и/или конденсаторной батареей - позволит существенно улучшить его эксплуатационные возможности по запуску «холодного» двигателя, по использованию форсажа тяги и торможению с рекуперацией, по повышению удельной и общей мощности, по экономии топлива и экологии.
Электромашина может быть соизмерима по мощности с тепловым гибридом.
Дополнение теплогибридного двигателя электрической машиной на валу так же позволит создавать различные транспортные средства с электрогибридной тягой: тепловой двигатель-электрогенератор-аккумулятор-электропривод.
«Авиационная» электромашина может быть надежной (бесколлекторной) и облегченной - как за счет обмотки «славянка» (Дуюнова), так и намотки проводом из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), например, производства компании "СуперОкс". ВТСП-провода/ленты работают при температуре минус 250 градусов Цельсия и имеют плотность тока более 500 А/мм2, что позволяет передавать без потерь по тонкому сверхпроводнику столько энергии, сколько по медному кабелю с сечением в сотни раз больше.
Для охлаждения сверхпроводника может быть использован охлажденный азот, который останется после разделения воздуха на азот и кислород, используемый для дожигания отходящих газов в камере дожигания гибридного двигателя, а также для обогащения кислородом горючей топливной смеси в камере сгорания, при дополнении данного гибрида - криогенной установкой разделения воздуха на жидкий азот и кислород.
То есть гибридный двигатель может дополнительно содержать тепловую машину, работающую по обратному термодинамическому циклу - холодильную (криогенную) машину, что позволит вырабатывать «холод», в том числе, для поддержания в жидком состоянии топлива - сжиженных водорода или природного газа (метана) при их использовании и в качестве рабочего газа, а также для криостатирования электроники различных устройств, входящих в состав транспортных средств в виде дополнительных опций, расширяющих их функциональное предназначение (с целью снижения уровня шумов, повышения чувствительности и помехоустойчивости): радаров, навигаторов, головок наведения, «матриц» приборов ночного видения, тепловизоров, медтехники, холодильников, кондиционеров воздуха.
Криомашина может быть как вращающейся (встроенной непосредственно в ротор) для криостатирования ротора электромашины с ВТСП, так и - неподвижной (с приводом от вала гибрида) и выполняться согласно изобретению: «Тепловой двигатель с бесклапанным газораспределением», описанной в патенте RU 2576077 (27.02.2016 г.), относящегося к категории ДВПТ, с той лишь разницей, что при принудительном вращении вала с поршнями, отсутствии подвода теплоты к нагревателю и отсутствии подвода в цилиндр плазмообразующей энергии активации рабочего газа (например, гелия) - температура нагревателя будет опускаться до криогенных величин.
Техническим результатом изобретения является совершенствование газораспределительных механизмов, расширения компоновочных возможностей и возможностей использования различных схем механизмов преобразования движения, увеличение приемистости и удельной мощности гибридного двигателя, повышение КПД, надежности и моторесурса, а также улучшение экологических параметров по качеству выхлопных газов и уменьшению теплового загрязнения окружающей среды.