RU2131048C1

RU2131048C1 - Heat engine

Info

Publication number: RU2131048C1
Application number: RU98100701A
Authority: RU
Inventors: В.С. Григорчук
Original assignee: Григорчук Владимир Степанович
Priority date: 1998-01-06
Filing date: 1998-01-06
Publication date: 1999-05-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: heat engine has cylinder block with crankcase accommodating crank-and-connecting rod mechanism, air preparation, supply, lubrication and starting systems. Intake manifold is pneumatically connected through regenerator and cooler with inner space of air cyclone. Exhaust manifold is pneumatically coupled through regenerator with supercharging system, ratio of cylinder volume to combustion chamber volume being 15: 1, minimum. Low boiling liquid with volumetric expansion coefficient is used as working medium. Engine can operate both as two-stroke and four-stroke machine. EFFECT: improved performance characteristics of heat engine. 3 cl, 8 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может найти применение в качестве двигателя. The present invention relates to the field of mechanical engineering and may find application as an engine.

Известен четырехцилиндровый бензиновый двигатель автомобиля Ваз-2121 "Нива", содержащий блок цилиндров с картером, внутри которого размещен кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, системы питания, охлаждения, смазки, зажигания и запуска. Мощность 80 л.с., рабочий объем 1,57, степень сжатия 8,5. /В.А. Вершигора и др., Автомобиль Ваз-2121 "Нива", М., Транспорт, 1980, с. 5 - 66/. Known four-cylinder gasoline engine of the car VAZ-2121 "Niva", containing a cylinder block with a crankcase, inside which is placed a crank mechanism, a gas distribution mechanism, a power system, cooling, lubrication, ignition and start. Power 80 hp, displacement 1.57, compression ratio 8.5. / B.A. Vershigora et al., Car VAZ-2121 "Niva", M., Transport, 1980, p. 5 - 66 /.

Недостатками известного бензинового двигателя являются: загрязнение окружающей среды выхлопными газами, большие тепловые потери, большой расход органического топлива, значительный шум. The disadvantages of the known gasoline engine are: environmental pollution by exhaust gases, large heat losses, high consumption of fossil fuels, significant noise.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя. These disadvantages are due to the design of the engine.

Известен также двухтактный дизельный двигатель 37Д, содержащий блок цилиндров с картером, внутри которого размещены кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, механизм наддува воздуха в цилиндры, системы питания, охлаждения, смазки, запуска, пост управления /С.Н. Прасолов, М.Б. Амитин, Устройство подводных лодок, М., Ордена Трудового Красного Знамени военное издательство Министерства обороны СССР, 1973, с. 231 - 242, рис. 99. Also known is a 37D two-stroke diesel engine containing a cylinder block with a crankcase, inside of which there is a crank mechanism, a gas distribution mechanism, a mechanism for boosting air into cylinders, a power system, cooling, lubrication, start-up, a control post / С.Н. Prasolov, M.B. Amitin, Submarine Arrangement, M., Order of the Red Banner of Labor, Military Publishing House of the USSR Ministry of Defense, 1973, p. 231 - 242, fig. 99.

Известный двухтактный дизельный двигатель 37Д, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип. The well-known 37D two-stroke diesel engine, as the closest in technical essence and achieved useful result, is adopted as a prototype.

Недостатки известного дизельного двигателя 37Д, принятого за прототип, те же. The disadvantages of the well-known 37D diesel engine, taken as a prototype, are the same.

Целью настоящего изобретения является повышение эксплуатационных характеристик теплового двигателя. The aim of the present invention is to improve the operational characteristics of a heat engine.

Указанная цель, согласно изобретения, обеспечивается тем, что система водяного охлаждения, глушитель, рабочее тело /дизельное топливо/ заменены воздушным регенератором, пневматически связанным с впускным и выпускным коллекторами, охладителем, вход которого соединен с воздушным регенератором, воздушным циклоном, подключенным к выходу охладителя, внутренняя полость которого соединена с атмосферой и отстойником, рабочим телом, представляющим собой легкокипящую жидкость с большим коэффициентом объемного расширения, способную конденсироваться и легко отделяться от воздуха, залитую в топливную систему двигателя. The specified purpose, according to the invention, is ensured by the fact that the water cooling system, muffler, working fluid / diesel fuel / are replaced by an air regenerator pneumatically connected to the intake and exhaust manifolds, a cooler, the inlet of which is connected to an air regenerator, an air cyclone connected to the outlet of the cooler , the inner cavity of which is connected to the atmosphere and the sump, the working fluid, which is a low-boiling liquid with a large coefficient of volume expansion, capable of condensing It can be easily separated from the air, which is poured into the fuel system of the engine.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид теплового двигателя; на фиг.2 - вид на тепловой двигатель сверху; на фиг. 3 - вид на тепловой двигатель спереди; на фиг.4 - схема устройства теплового двигателя; на фиг.5 - устройство циклона в разрезе; на фиг.6 - вид сверху, в разрезе на воздушный регенератор; на фиг.7 - устройство охладителя; на фиг.8 - схема привода вентилятора. The invention is illustrated by drawings, where figure 1 shows a General view of a heat engine; figure 2 is a view of the heat engine from above; in FIG. 3 is a front view of a heat engine; figure 4 - diagram of the device of the heat engine; figure 5 - the cyclone device in section; Fig.6 is a top view, in section, of an air regenerator; figure 7 - device cooler; on Fig is a diagram of a fan drive.

Предлагаемый четырехцилиндровый двухтактный тепловой двигатель содержит блок цилиндров 1 с верхним картером, к которому болтами привернут нижний картер 2. Внутри блока установлены гильзы 3, имеющие в нижней части продувочные окна 4 и покрытые снаружи теплоизоляцией 5. Внутрь каждой гильзы цилиндра вставлен поршень 6, который посредством шатуна 7 соединен с коленчатым валом 8, установленным в подшипниках верхнего и нижнего картеров. По бокам блока двигателя закреплены топливный насос высокого давления 9, который посредством трубопроводов 10 соединен с форсунками 11, размещенными в головке 12 блока цилиндров, имеющей внутри теплоизоляцию 13. На корпусе насоса высокого давления закреплен корпус 14 регулятора частоты вращения коленчатого вала и корпус 15 топливного насоса. И тот, и другой кинематически связаны с валом насоса высокого давления. Там же размещен электростатер 16. С противоположной стороны на двигателе размещен воздушный нагнетатель 17, который вместе с насосом высокого давления через механизм передач /не показанный на чертежах/ кинематически связан с коленчатым валом. Впускной коллектор 18 пневматически соединен с продувочными окнами цилиндров с одной стороны, а с другой стороны через боковые отводы регенератора 19 подключен к воздушному нагнетателю, имеющему воздушную заслонку 20. Выпускной коллектор 21 с одной стороны соединен с противоположными продувочными окнами цилиндров, а с другой стороны он подключен через торцевые отводы к вышеупомянутому регенератору, а последний через охладитель 22 соединен с внутренней полостью воздушного циклона 23, соединенного в нижней части со сливным баком 24. Топливная система содержит топливный бак, который посредством трубопроводов через топливный насос, запорный кран 25 соединен с насосом высокого давления. В систему входит также топливный фильтр, не показанный на чертеже. Топливный бак 26 и вся система питания заполнены легкокипящей жидкостью, имеющей большой коэффициент объемного расширения и способной хорошо конденсироваться и отделяться от воздуха. Такой жидкостью могут быть жидкие фреоны, различные не ядовитые этилы и другие жидкости. Топливная система может также иметь теплоизоляцию /на чертеже не показано/. Для более высокого нагрева воздуха при сжатии его поршнями отношение объема цилиндра двигателя к объему камеры сжатия должно быть не менее 15:1. Регенератор воздуха содержит цилиндрический корпус 27, имеющий боковые трубчатые отводы с фланцами 28 и 29. К корпусу приварены с двух сторон шайбы 30 и 31 с отверстиями, в которые вставлены и развальцованы продольные трубки 32. Корпус с обеих сторон закрыт крышками 33 и 34, имеющими трубчатые отводы с фланцами 35 и 36. Воздушный циклон представляет собой цилиндрическую трубу 37, к нижней части которой приварен трубчатый конус, имеющий фланец 38 для соединения со сливным баком. В верхней части цилиндрическая труба имеет заглушку с отверстием, через которое пропущена выхлопная труба 39, имеющая винтовой шлиц 40 на своей наружной поверхности. Верхняя часть цилиндрической трубы имеет цилиндрический отвод с фланцем 41, а к нижней части приварен кронштейн 42 для крепления циклона к корпусу двигателя. Охладитель воздушной смеси представляет собой два радиатора, объединенных общей рамой и имеющих общий кожух 43 с входящим в него вентилятором 44. Первый радиатор - масляный предназначен для охлаждения масла, находящегося в системе смазки двигателя, которая имеет свойственные двухтактным двигателям узлы и детали и не показана на чертежах. Радиатор содержит верхний коллектор 45, нижний коллектор 46, соединенный между собой трубками 47. В верхней и нижней частях имеются площадки с отверстиями 48 для крепления маслопроводов. Второй радиатор - предназначен для охлаждения воздушной смеси и имеет такое же устройство. Он отличается лишь большим диаметром трубок 49, которые соединяют верхний 50 и нижний 51 коллекторы, имеющие фланцы 52 и 53. Для увеличения поверхности нагрева и те, и другие трубки имеют пластины оребрения 54. Вентилятор охладителя установлен в подшипнике блока цилиндров и через конические шестерни 55, 56, 57, вертикальный вал 58 соединен с конической шестерней 59 коленчатого вала. The proposed four-cylinder two-stroke thermal engine contains a cylinder block 1 with an upper crankcase, to which the lower crankcase is bolted 2. Inside the block there are sleeves 3 having purge windows 4 at the bottom and coated with heat insulation 5 outside. A piston 6 is inserted inside each cylinder liner, which the connecting rod 7 is connected to the crankshaft 8 installed in the bearings of the upper and lower crankcase. A high-pressure fuel pump 9 is fixed on the sides of the engine block, which is connected via pipelines 10 to the nozzles 11 located in the cylinder head 12, which has heat insulation inside 13. A housing 14 of the crankshaft speed controller and a fuel pump housing 15 are fixed to the housing of the high pressure pump . Both the one and the other are kinematically connected with the shaft of the high pressure pump. There is also an electrostator 16. On the opposite side of the engine there is an air supercharger 17, which, together with a high-pressure pump, is kinematically connected to the crankshaft via a gear mechanism (not shown in the drawings). The inlet manifold 18 is pneumatically connected to the purge windows of the cylinders on the one hand, and on the other hand through the lateral outlets of the regenerator 19 is connected to an air blower having an air damper 20. The exhaust manifold 21 is connected to the opposite purge windows of the cylinders on the one hand, and on the other hand connected through end bends to the aforementioned regenerator, and the latter through a cooler 22 is connected to the internal cavity of the air cyclone 23, connected at the bottom with a drain tank 24. Fuel YSTEM comprises a fuel tank, which by means of conduits through a fuel pump, a shut-off valve 25 is connected to the high pressure pump. The system also includes a fuel filter, not shown in the drawing. The fuel tank 26 and the entire power supply system are filled with a low boiling liquid having a large coefficient of volume expansion and able to condense well and separate from the air. Such a liquid can be liquid freons, various non-toxic ethyls and other liquids. The fuel system may also be insulated / not shown /. For higher heating of the air when it is compressed by pistons, the ratio of the volume of the engine cylinder to the volume of the compression chamber should be at least 15: 1. The air regenerator comprises a cylindrical housing 27 having lateral tubular bends with flanges 28 and 29. Washers 30 and 31 with holes are welded to the housing on both sides, into which longitudinal tubes 32 are inserted and expanded. The housing is closed on both sides by covers 33 and 34 having tubular bends with flanges 35 and 36. The air cyclone is a cylindrical pipe 37, to the lower part of which a tubular cone is welded, having a flange 38 for connection with a drain tank. In the upper part, the cylindrical pipe has a plug with an opening through which an exhaust pipe 39 is passed, having a screw slot 40 on its outer surface. The upper part of the cylindrical pipe has a cylindrical bend with a flange 41, and the bracket 42 for attaching the cyclone to the engine housing is welded to the lower part. The air mixture cooler consists of two radiators, united by a common frame and having a common casing 43 with a fan 44 included in it. The first oil cooler is designed to cool the oil in the engine lubrication system, which has components and parts typical of two-stroke engines and is not shown in drawings. The radiator includes an upper manifold 45, a lower manifold 46 interconnected by tubes 47. In the upper and lower parts there are platforms with holes 48 for attaching oil pipelines. The second radiator is designed to cool the air mixture and has the same device. It differs only in the large diameter of the tubes 49 that connect the upper 50 and lower 51 collectors having flanges 52 and 53. To increase the heating surface, both tubes have fins 54. The cooler fan is installed in the bearing of the cylinder block and through bevel gears 55 , 56, 57, the vertical shaft 58 is connected to the bevel gear 59 of the crankshaft.

Работа двухтактного теплового двигателя. The operation of a two-stroke heat engine.

Работа двухтактного теплового двигателя основана на использовании теплоты, возникающей при нагреве воздуха в цилиндре в момент его сжатия и впуска в цилиндр, по достижении поршнем ВМТ, порции легкокипящей жидкости с большим коэффициентом объемного расширения, что приводит к возникновению давления на поршень и вращению коленчатого вала. The operation of a two-stroke heat engine is based on the use of heat that occurs when air is heated in the cylinder at the time of its compression and intake into the cylinder, when the piston reaches the TDC, a portion of low boiling liquid with a large coefficient of volume expansion, which leads to pressure on the piston and rotation of the crankshaft.

При положении поршня 6 в НМТ продувочные окна 4 открыты и в цилиндр 3 подается от нагнетателя 17 через трубки 32 регенератора 19 и впускной коллектор 18 свежий заряд воздуха и происходит такт впуска воздуха. Далее при вращении коленчатого вала 8 электростартером 16 поршень 6 движется вверх и закрывает продувочные окна 4. При дальнейшем вращении коленчатого вала 8 поршень 6 продолжает двигаться к ВМТ и, начиная с момента закрытия продувочных окон 4, сжимает поступивший в цилиндр 3 воздух. Воздух в цилиндре сжимается до 60 кгс/см² / 6 • 10⁶ Па/, а температура его повышается до 600 - 650^oC. При подходе поршня 6 к ВМТ с некоторым опереженем, соответствующим 10 - 30^o, в цилиндр выпрыскивается насосом высокого давления 9 через форсунку 11 порция легкокипящей жидкости, которая испаряется и расширяется, производя на поршень значительное давление. Под воздействием давления газовой смеси, образовавшейся в цилиндре, поршень 6 перемещается вниз, совершая рабочий ход и приводя во вращение коленчатый вал 8. Процесс выпуска отработанной смеси начинается с момента открытия продувочных окон 4. При этом нагнетатель 17 снова подает воздух в цилиндр 3, а отработанная смесь, температура которой понизилась до 70 - 80^oC выбрасывается в выпускной коллектор 21 и затем проходит через регенератор 19, омывая трубки 32 и отдавая часть тепла воздуху, поступающему в цилиндр. Далее отработанная смесь поступает в охладитель 22, где происходит ее дальнейшее охлаждение. Пройдя охладитель, отработанная смесь поступает в циклон 23, где, проходя через винтовые шлицы 40, приобретает вращательное движение. Под действием центробежной силы капли сконденсировавшейся и остывшей окончательно легкокипящей жидкости стекают по стенкам циклона в сливной бак 24, а воздух через выхлопную трубу 39 выходит в атмосферу. На этом такт выпуска заканчивается и далее начинается такт наполнения цилиндра зарядом свежего воздуха и все начинается снова. После того, как двигатель будет запущен, электростартер 16 отключается. Частота вращения коленчатого вала может изменяться за счет изменения количества, подаваемой в цилиндры жидкости. Чем больше количество поступившей в цилиндры жидкости, тем больше частота вращения коленчатого вала и наоборот. Количество подаваемой в цилиндры жидкости регулируется механизмом управления /не показанным на чертеже/, который воздействует на плунжеры насоса высокого давления. Регулятор 14 поддерживает постоянной частоту вращения коленчатого вала путем изменения количества, подаваемой в цилиндры жидкости, воздействуя на насос высокого давления /не показано/. Система смазки подает масло к трущимся поверхностям. При повышении температуры масла оно может быть охлаждено в масляной секции охладителя 22. Двигатель может быть выполнен по четырехтактному циклу.When the piston 6 is in the BDC, the purge windows 4 are open and a fresh charge of air is supplied to the cylinder 3 from the blower 17 through the tubes 32 of the regenerator 19 and the intake manifold 18 and an air intake stroke occurs. Further, when the crankshaft 8 is rotated by an electric starter 16, the piston 6 moves upward and closes the purge windows 4. With a further rotation of the crankshaft 8, the piston 6 continues to move to TDC and, starting from the moment the purge windows 4 are closed, compresses the air entering the cylinder 3. The air in the cylinder is compressed to 60 kgf / cm ^2/6 • 10 ⁶ Pa /, and its temperature rises to 600 - 650 ^o C. In the approach of the piston 6 toward the TDC with some advance corresponding to 10 - 30 ^o, in the pump cylinder jetted high pressure 9 through the nozzle 11, a portion of low-boiling liquid, which evaporates and expands, producing significant pressure on the piston. Under the influence of the pressure of the gas mixture formed in the cylinder, the piston 6 moves downward, making a stroke and turning the crankshaft 8. The exhaust mixture begins to process from the moment the purge windows 4 open. At the same time, the supercharger 17 again supplies air to the cylinder 3, and the waste mixture, the temperature of which has dropped to 70 - 80 ^o C is emitted into the exhaust manifold 21 and then passes through the regenerator 19, washing the tubes 32 and giving up part of the heat to the air entering the cylinder. Next, the spent mixture enters the cooler 22, where it is further cooled. After passing the cooler, the spent mixture enters the cyclone 23, where, passing through the screw slots 40, acquires a rotational movement. Under the action of centrifugal force, droplets of condensed and finally cooled low-boiling liquid flow down the walls of the cyclone into the drain tank 24, and air through the exhaust pipe 39 enters the atmosphere. On this, the release cycle ends and then the cycle begins of filling the cylinder with a charge of fresh air and everything starts again. After the engine is started, the electric starter 16 is turned off. The rotational speed of the crankshaft may vary due to a change in the quantity supplied to the fluid cylinders. The larger the amount of fluid entering the cylinders, the greater the crankshaft rotational speed and vice versa. The amount of fluid supplied to the cylinders is controlled by a control mechanism / not shown in the drawing /, which acts on the plungers of the high pressure pump. The controller 14 maintains a constant speed of the crankshaft by changing the amount supplied to the cylinders of the fluid, acting on the high pressure pump / not shown /. The lubrication system delivers oil to rubbing surfaces. When the temperature of the oil rises, it can be cooled in the oil section of the cooler 22. The engine can be performed on a four-cycle cycle.

Положительный эффект предлагаемого изобретения: более высокая пожаробезопасность, меньшие тепловые потери, меньшее загрязнение окружающей среды, возможность повторного использования топлива после его регенерации и очистки, меньший шум, не требует органического топлива. The positive effect of the invention: higher fire safety, less heat loss, less environmental pollution, the possibility of reuse of fuel after its regeneration and purification, less noise, does not require fossil fuels.

Claims

1. A heat engine comprising a cylinder block with a crankcase and a crank mechanism located therein, an air treatment, supply, lubrication and start-up system, characterized in that the exhaust manifold is pneumatically connected through the regenerator and cooler to the internal cavity of the air cyclone, and the intake manifold through the mentioned regenerator is pneumatically connected to the system of pressurization of air into the cylinders, and the ratio of the volume of the cylinder and the compression chamber must be at least 15: 1.

2. The engine according to claim 1, characterized in that a low-boiling liquid with a large coefficient of volume expansion, capable of easily condensing, is poured into the power system as a working fluid.

3. The engine according to claims 1 and 2, characterized in that it can be performed both in a push-pull cycle and in a four-stroke cycle.