ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ С ВНЕШНЕЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ
PISTON ENGINE WITH EXTERNAL COMBUSTION CHAMBER

Область техники
Изобретение относится к области энергомашиностроения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ближайший аналог заявленного изобретения - двигатель внешнего сгорания, двигатель Стирлинга (Большой политехнический словарь ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ, Научное издательство «Большая Российская энциклопедия, М.: 1998, с.505, 506). Двигатель внешнего сгорания - двигатель с внешним подводом и регенерацией тепловой энергии, преобразуемой в полезную механическую работу. Современный двигатель Стирлинга работает по замкнутому регенеративному циклу, состоящему из последовательно чередующихся двух изотермических и двух изохорических процессов. В отличие от двигателя Стирлинга в предлагаемом поршневом двигателе с внешней камерой сгорания процесс сгорания топлива осуществляется во внешней камере сгорания с последующей подачей продуктов сгорания в цилиндры двухтактной поршневой расширительной машины, где энергия расширяющихся продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию вращения вала.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность изобретения поясняется описанием принципа действия поршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
В состав двигателя входят (см. чертеж): 1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4 - газорапределительный клапан, 5 - силовой поршень, 6 - кривошипно-шатунный механизм силового поршня, 7 - соединительный вал, 8 - кривошипно-шатунный механизм поршня компрессора, 9 - поршень компрессора, 10 - перепускной клапан, 11 - пневмоаккумулятор, 12 - маховик, 13 - клапан впуска воздуха, 14 - выпускной канал, 15 - вал отбора мощности.
При пуске двигателя в камеру сгорания 1 форсункой 2 подается топливо и воспламеняется свечой зажигания 3. Продукты сгорания из камеры сгорания 1 через газораспределительный клапан 4 (клапан находится в правом крайнем положении) поступают в надпоршневую полость силового поршня 5. Здесь расширяющиеся продукты сгорания воздействуют на силовой поршень 5, и он начинает движение вниз. Поступательное движение поршня 5 кривошипно-шатунным механизмом 6 преобразуется во вращательное движение соединительного вала 7, которое передается кривошипно-шатунному механизму компрессора 8 таким образом, что поршень компрессора 9 движется вверх. Сжимаемый в надпоршневой полости поршня компрессора 9 воздух через открытый перепускной клапан 10 поступает в камеру сгорания 1 и пневмоаккумулятор 11, пополняя расход кислорода воздуха в камере сгорания 1 в процессе горения топлива и заряжая пневмоаккумулятор 11. После того как силовой поршень 5 окажется в нижней мертвой точке, а поршень компрессора 9 в верхней мертвой точке, кинетическая энергия маховика 12 меняет направление движения обоих поршней. Перепускной клапан 10 закрывается, а клапан впуска воздуха 13 открывается, и воздух из атмосферы поступает в надпоршневую полость поршня компрессора 9. Одновременно газораспределительный клапан 4 переводится в левое крайнее положение и отработавшие продукты сгорания по выпускному каналу 14 выбрасываются в атмосферу. В течение этого такта процесс сгорания в камере сгорания 1 поддерживается поступающим из пневмоаккумулятора 11 воздухом. В конце такта газораспределительный клапан 4 снова переводится в левое положение, перепускной клапан 10 и клапан впуска воздуха 13 приходят в исходные положения, и начинается очередной рабочий такт. Площадь силового поршня 5 больше площади поршня компрессора 9, и поэтому давление воздуха на входе в камеру сгорания 1 больше, чем давление продуктов сгорания на ее выходе, чем и обеспечивается работоспособность двигателя. Энергия на валу отбора мощности 15 определяется разностью среднего давления продуктов сгорания в надпоршневой полости силового поршня 5 и среднего давления воздуха в надпоршневой полости поршня компрессора 9.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания, содержащий внешнюю камеру сгорания с форсункой и свечой зажигания, газораспределительный клапан, перепускной клапан и клапан впуска воздуха, силовой поршень и поршень компрессора с кривошипно-шатунными механизмами, соединительный вал, маховик и вал отбора мощности, при этом процесс преобразования химической энергии топлива в механическую энергию разделен на процесс сгорания топлива во внешней камере сгорания и на процесс расширения продуктов сгорания в цилиндре поршневой расширительной машины, отличающийся тем, что двигатель снабжен пневмоаккумулятором, воздух в который поступает из надпоршневой полости компрессора и который пополняет воздухом внешнюю камеру сгорания в процессе горения топлива.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания предназначен для использования в качестве механического привода общего назначения, в том числе и как силовой агрегат транспортных средств всех назначений. Здесь рассматривался принцип действия двигателя с одним цилиндром силового поршня и одним цилиндром компрессора. Относительно устойчивый момент силы на валу отбора мощности обеспечивается в двигателе с двумя силовыми цилиндрами. При трех силовых цилиндрах и более возможно изменение направления вращения вала отбора мощности путем изменения порядка срабатывания газораспределительных клапанов в цилиндрах. Что касается равномерности подачи воздуха в камеру сгорания, то она обеспечивается оптимальным соотношением числа цилиндров компрессора и емкостью пневмоаккумулятора. Это соотношение имеет обратную зависимость. Чем больше емкость пневмоаккумулятора, тем меньше число цилиндров компрессора и наоборот. Двухтактность двигателя увеличивает его удельную мощность вдвое по сравнению с четырехтактным двигателем. Разделения процессов сгорания топлива и расширения продуктов сгорания обеспечивает многотопливность - можно применять любое моторное топливо как жидкое, так и газообразное, без переналадки топливной аппаратуры. Сгорание топлива происходит при стехиометрическом соотношении топливо-окислитель до конечных продуктов сгорания, не оставляя кислорода для образования оксидов азота. Кроме того, двигатель имеет благоприятную тяговую характеристику при использовании его в качестве силового агрегата автомобиля. Чем больше нагрузка на двигатель, тем, до определенных пределов, выше давление продуктов сгорания, и тем больше момент силы на валу. Требования к материалам и технологии не выходят за пределы современных требований.
ГРАФИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ
Чертеж. Принципиальная схема поршневого двигателя с внешней камерой сгорания.
1 - камера сгорания, 2 - форсунка, 3 - свеча зажигания, 4 - газораспределительный клапан, 5 - силовой поршень, 6 - кривошипно-шатунный механизм силового поршня, 7 - соединительный вал, 8 - кривошипно-шатунный механизм поршня компрессора, 9 - поршень компрессора, 10 - перепускной клапан, 11 - пневмоаккумулятор, 12 - маховик, 13 - клапан впуска воздуха, 14 - выпускной канал, 15 - вал отбора мощности.