RU2765134C1

RU2765134C1 - Двухтактный гибридный двигатель с поршневым продувочным компрессором

Info

Publication number: RU2765134C1
Application number: RU2021109393A
Authority: RU
Inventors: Сергей Алексеевич Холзаков
Original assignee: Сергей Алексеевич Холзаков
Priority date: 2021-04-05
Filing date: 2021-04-05
Publication date: 2022-01-25

Abstract

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель включает системы смазки, охлаждения, воздухо- и топливоподачи, газораспределения, зажигания, механизм преобразования движения поршней во вращательное. При этом двигатель содержит по меньшей мере один ступенчатый цилиндр (6) с головкой (7), включающей камеру (8) дожигания постоянного объема, две смежные тепловые рабочие камеры (9) и рабочую камеру (11) воздушного компрессора, образованные с участием поверхностей сдвоенных через межпоршневую юбку (18) двустороннего теплового и компрессорного ступенчатых поршней (5). Нагреватель (14) и холодильник (15) разделены теплоизолятором (13). Холодильник (15) выполнен в виде внешней рубашки цилиндра (6), а нагреватель (14) - в виде объемной внутренней рубашки цилиндра (6). Также раскрыто выполнение тепловой рабочей камеры (9) внутреннего сгорания и камеры (8) дожигания. Технический результат заключается в увеличении удельной мощности. 14 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

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, двигателями с внешним подводом теплоты (ДВ1ТТ).

К таким «комбайнам» (тепловым гибридным двигателям, условно обозначаемым: ДВС+ДВПТ) можно отнести «Двухтактный гибридный двигатель с преобразованием в работу отходящей теплоты ДВС и дожиганием выхлопных газов» патент РФ на изобретение №2745467 публикация 25.03.2021 г., принятый в качестве прототипа (в варианте по п. 8 формулы) с использованием внутрикартерной полости в качестве части одной из камер двухкамерного воздушного компрессора продувки ДВС.

https://WWW1.fips.ru/registers-doc-view/fipssen^/let?DB=RUPAT&PocNumbei-2745467&TvpeFile=html

Этот вариант двигателя устроен так, что помимо различных систем обеспечения рабочих процессов, содержит корпус-картер с, как минимум одним, цилиндром, включающим в себя камеру дожигания отходящих газов постоянного объема, двигатель с внешним подводом теплоты (ДВПТ) в виде рабочей камеры с подводом теплоты и двигатель внутреннего сгорания (ДВС) в виде смежной через двусторонний тепловой поршень камеры внутреннего сгорания, имеющих общую поверхность нагревателя, выполненного как внутренняя рубашка цилиндра, которая теплоизолятором отделена от холодильника, являющегося внешней рубашкой цилиндра. Между нагревателем и холодильником расположена вытеснительная полость, связанная с рабочей камерой ДВПТ тангенциальными каналами, выполняющими функции газораспределителя. Также цилиндр содержит продувочный двухкамерный компрессор, состоящий из надпоршневой компрессорной камеры, и, смежной через двусторонний компрессорный поршень, подпоршневой камеры, включающей внутрикартерную полость.

Несмотря на ряд положительных качеств, к недостаткам этого варианта двигателей, ограничивающих их возможности, можно отнести следующие.

Опыт работы двигателей с использованием (для продувки камеры сгорания ДВС и приготовления горючей топливовоздушной смеси) воздуха, прошедшего через внутри картерную полость, указывает на низкие экологические параметры выхлопных газов и негативное влияние на масло в картере для смазки трущихся поверхностей деталей и узлов двигателя и, прежде всего коленчатого вала и ЦПГ, ограничивающее ресурс двигателя и ухудшающее качество моторного масла с необходимостью его частой замены.

Также, при проектировании (па основе п. 8 формулы RU №2745467) многоцилиндровых двигателей, требуется «обособление» внутрикартерных полостей для «несинфазных» цилиндров (т.е. цилиндров, в которых соответствующие круговые циклические рабочие процессы происходят с несовпадающими фазами), что не всегда технически просто реализуется, при том, что подавляющее большинство действующих и проектируемых ДВС имеют единое общее внутрикартерное пространство (полость).

При этом еще и довольно сложно конструктивно применять в качестве впускных клапанов эффективные механические клапаны и их «приводы», нашедшие широкое применение в четырехтактных действующих ДВС.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является устранение перечисленных недостатков посредством использования для работы двигателя воздуха, не связанного с внутрикартерной полостью, а также расширение арсенала двигателей с возможностью использования различных компоновок и схем преобразования прямолинейного возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение вала отбора мощности двигателя на основе существующего специализированного оборудования и технологий.

Решение поставленной задачи обеспечивает 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 тепловые рабочие камеры и одну рабочую камеру воздушного компрессора, образованные с участием поверхностей сдвоенных через межпоршневую юбку двустороннего теплового и одностороннего 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, поверхностью межпоршневой юбки и надпоршневой поверхностью компрессорного поршня образует кольцевую рабочую камеру воздушного компрессора с, как минимум одним, впускным клапаном, 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 тепловую 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 по форме тепловую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной надпоршневой тепловой рабочей камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, как минимум один канал отходящих газов из тепловой рабочей 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 рабочей камеры внутреннего сгорания как с каналами в нагревателе и его днище, так и с камерой 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.

Применение в компрессоре ступенчатого поршня не с двусторонней, а с односторонней (надпоршневой) рабочей поверхностью позволяет отделить рабочую камеру компрессора от внутрикартерной полости и использовать для работы двигателя воздух, не связанный с внутрикартерной полостью. При этом цилиндрическая внутренняя поверхность стенок компрессорной рабочей камеры со стороны картера имеет возможность смазывания моторным маслом без негативного влияния на смазку и «экологию» выхлопных газов двигателя.

Также применение однокамерного поршневого компрессора позволяет при проектировании двигателей с механическими клапанами газораспределения использовать огромный накопленный опыт проектирования четырехтактных ДВС с различными схемами механических клапанов газораспределения и их «приводами», включая электроуправляемые, используя, например, «грибковые» (грибовидные) клапаны.

То есть впускной клапан камеры воздушного компрессора (канала системы подачи воздуха или топливовоздушной смеси), согласно изобретению, может быть выполнен как механический (включая самодействующие) клапан и/или аэродинамический обратный клапан в виде торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, входным радиальным каналом, и, как минимум одним, выходным тангенциальным каналом.

При этом простое бесклапанное газораспределение для работы камеры внутреннего сгорания обеспечивается газораспределительными каналами, расположенными в теле поршня при его возвратно-поступательном движении.

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) другой аэродинамический обратный клапан, размещенный в теле поршня (юбки) 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 ДВС.

Для повышения надежности и моторесурса двигатель может иметь составной по конструкции и разнофактурный по используемым материалам поршень, тело которого в районе газоотводящих 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».

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 позволяет разделить (распределить) протяженную поверхность нагревателя на две части не только конструктивно, но и по температуре: «высокотемпературную» внутреннюю (для увеличения удельной мощности ДВП'Г) и «низкотемпературную» наружную для наилучшего отбора теплоты у отходящих газов и максимального понижения их температуры на выходе гибридного двигателя.

Пустотелая обечайка в стенке нагревателя используется еще и в качестве камеры для «дожигания» отработанных газов (с получением дополнительной теплоты и ее преобразованием в полезную работу) - позволяя улучшить «экологию» выхлопа и повысить энергетическую эффективность двигателя.

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.

Изобретенный двигатель позволяет для преобразования движения использовать как крейцкопфный, бесшатунный, кривошипно-шатунный, так и другие механизмы преобразования прямолинейного движения поршней во вращательное движение вала с отсутствием необходимости «обособления» внутрикартерных полостей каждого цилиндра при реализации «многоцилиндровости», то есть с единым внутрикартерным пространством.

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 в продольных сечениях А-А и Б-Б; на фиг. 3, 4, 5 - поперечные сечения В-В, Г-Г, Д-Д фиг. 2.

Двигатель содержит корпус-картер 1, с расположенным в нем механизмом преобразования движения поршней (составляющих единый узел - многоступенчатый составной поршень) в виде шатуна 2 с пальцем и юбкообразным ползуном 3 крейцкопфа, а также коленчатого вала 4, составной многоступенчатый поршень 5 (состоящий из двустороннего теплового поршня, межпоршневой юбки и одностороннего компрессорного поршня), ступенчатый цилиндр 6 с головкой 7, включающий в себя камеру дожигания постоянного объема 8, две смежные противофазные тепловые рабочие камеры 9-10 и одну рабочую камеру 11 воздушного продувочного компрессора (смежную с внутрикартерной полостью 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.

Нижеследующими позициями обозначены другие элементы двигателя:

16 - надпоршневая поверхность теплового поршня;

17 - подпоршневая поверхность теплового поршня;

18 - межпоршневая юбка сдвоенных ступенчатых поршней;

19 - надпоршневая рабочая поверхность компрессорного поршня;

20 - впускной клапан компрессора механический (грибковый);

21 - привод механического впускного клапана;

22 - впускной клапан компрессора самодействующий (лепестковый);

23 - тангенциальный канал газораспределения камеры с подводом теплоты;

24 - вытеснительная полость между нагревателем и холодильником;

25 - канал отходящих газов из камеры внутреннего сгорания в нагревателе;

26 - тангенциальный канал отходящих газов в теле днища нагревателя;

27 - канал отходящих газов в теле поршня (межпоршневой юбки);

28 - газоходный канал подачи воздуха/смеси в камеру сгорания в теле поршня;

29 - торообразная полость аэродинамического клапана в теле поршня (юбки);

30 - радиальный входящий канал аэродинамического клапана;

31 - тангенциальный канал аэродинамического клапана в теле поршня (юбки);

32 - форсунка инжекторного впрыска топлива;

33 - свеча зажигания горючей смеси;

34 - ввод плазмообразующей энергии активации рабочего газа;

35 - газоход отходящих выхлопных газов;

36 - выхлопная трубка отходящих газов.

Двигатель работает следующим образом.

Работа воздушного продувочного компрессора.

При увеличении объема поршневой рабочей камеры 11 воздушного продувочного компрессора происходит наполнение камеры атмосферным воздухом/горючей смесью через впускной клапан 20 с приводом 21, либо через самодействующий обратный клапан 22.

При уменьшении объема - выдавливание воздуха/горючей смеси из рабочей камеры 11 компрессора в тепловую рабочую камеру внутреннего сгорания 10 через воздушный канал 28 в теле межпоршневой юбки с повышением компрессии за счет меньшего объема тепловой рабочей камеры внутреннего сгорания 10 к объему рабочей камеры 11 воздушного компрессора.

Работа тепловой рабочей камеры с подводом теплоты.

При уменьшении объема надпоршневой тепловой 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 15 (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 14) не является определяющим. При остановке поршня в верхней мертвой точке - вихревое движение рабочего газа в вытеснительной полости 24 прекращается трением и последующей газодинамикой.

При увеличении объема тепловой рабочей (плазменно-вихревой рабочей) камеры 9 с подводом теплоты происходит истечение сжатого рабочего газа из вытеснительной полости 24 через тангенциальные каналы 23 с «обратным» пристеночным завихрением (по типу «swirl») и осевым движением фронта вихревого потока (от головки к поршню) уже в рабочей камере 9 с отбором теплоты за счет расширения газа как от наружной поверхности нагревателя в вытеснительной полости, так и от внутренней поверхности нагревателя внутри рабочей камеры 9 с совершением полезной работы по перемещению поршня и передачей ее вращающемуся выходному валу 4. При этом рабочая камера 9 и вытеснительная полость 24 совокупно являются камерой подвода теплоты от поверхностей нагревателя 14. При завихрении «swirl» рабочего газа в камере - величина вектора его тангенциальной скорости резко увеличивается от нуля (на стенке) до максимума, а затем плавно спадает до нуля в радиальном направлении к оси. При взаимодействии осевого фронта «обратного» пристеночного завихрения рабочего газа с поверхностью поршня - в рабочей камере возникает внутренний «возвратный» приосевой поток рабочего газа в осевом восходящем направлении от поршня к головке цилиндра.

В рабочей камере, которая становится плазменно-вихревой рабочей камерой при подаче в нее энергии активации (ионизации, диссоциации) рабочего газа через ввод 34 плазмообразующей энергии (активатор) в такте сжатия рабочего газа реализуется «имплазный» способ работы тепловой машины, а именно - эффект «активной» регенерации теплоты сжатия с переносом ее из такта сжатия в такт расширения, что способствует уменьшению количества теплоты сжатия, «сбрасываемой» в холодильник 15, а значит - дополнительному увеличению теплового КПД как рабочей камеры с подводом теплоты, так и гибридного двигателя в целом. Реальный аналог «имплазного» плазмохимического процесса - атомно-водородная сварка.

Более подробно «имплазный» способ работы тепловых машин описан в патенте РФ на полезную модель №151391 (опубл. 2015 г.) «Тепловой двигатель с плазменно-вихревой камерой».

https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servtet?DB=RUPM&DocNumber=151391&TypeFile=html

Ввод плазмообразующей энергии активации рабочего газа может быть размещен в головке 7 или на цилиндре 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 ультрафиолетового излучения, или в виде ввода от источника рентгеновского излучения.

В качестве плазмообразующего воздействия для активации рабочего газа с его принудительной радикализацией и саморелаксацией вполне успешно и практически несложно может быть реализован безэлектродный 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.

Для «пробоя» рабочего газа, в условиях его высокой компрессии, и осуществления СВЧ-разряда требуется вводить очень высокий уровень СВЧ мощности, который может быть уменьшен, если рабочая камера с подводом теплоты выполнена в виде цилиндрического объемного СВЧ-резонатора с таким внутренним диаметром и высотой, для которых частота вводимой СВЧ-энергии активации рабочего газа является резонансной на типе/моде волны электромагнитных колебаний, задаваемых видом (например, штыревой или петлевой) и месторасположением на резонаторе (торец или цилиндрическая стенка) СВЧ-ввода микроволновой плазмообразующей энергии.

Для этих целей наиболее подходящими являются такой тип и мода электромагнитной волны, для которой резонансная частота цилиндра определяется исключительно его диаметром и не зависит от высоты между торцевыми стенками (т.е. от изменяющегося расстояния между поршнем и головкой в процессе сжатия рабочего газа), например, мода Е₀₁₀, возбуждаемая штыревым зондом (штыревой СВЧ-ввод), расположенным на головке цилиндра по его оси, либо зондом-петлей (петлевой СВЧ-ввод), располагаемой на боковой или торцевой стенке цилиндра (резонатора).

Таким образом, тип колебаний и структура электромагнитного поля для активации рабочего газа посредством инициации пробивного СВЧ-разряда в рабочей камере с подводом теплоты могут соответствовать электромагнитной волне типа Е на ее моде Е₀₁₀ цилиндрического объемного резонатора.

По структуре электромагнитного поля Е₀₁₀ вектор Е напряженности электрического поля параллелен оси цилиндрического объемного резонатора, максимален на оси и уменьшается до нуля на цилиндрических стенках. Именно в локализации максимума напряженности электрического поля, совпадающей с областью максимума осевой скорости «возвратного» приосевого потока рабочего газа восходящего от поверхности поршня к головке цилиндра, возникает СВЧ-разряд, воздействием которого и осуществляется принудительная радикализация (эндотермическая плазмохимическая реакция разложения) рабочего газа, с поглощением теплоты сжатия продуктами реакции, и перенос потоком продуктов реакции распада (электронов, радикалов) к головке и стенкам плазменно-вихревой рабочей камеры для их саморелаксации (экзотермической реакции восстановления исходных или синтеза других молекул рабочего газа) с выделением на металлической поверхности головки и стенок нагревателя ранее поглощенной теплоты, используемой затем для нагревания рабочего газа в такте расширения с целью производства полезной механической работы.

Структура электромагнитной волны типа Е на ее моде Е₀₁₀ цилиндрического объемного резонатора, используемая для осуществления СВЧ-разряда, приемлема лишь для короткоходных плазменно-вихревых рабочих камер, в которых ход поршня меньше или равен его диаметру.

В длинноходных плазменно-вихревых рабочих камерах (длинноходных двигателях), в которых ход поршня превышает его диаметр - тип колебаний и структура электромагнитного поля для активации рабочего газа посредством инициации пробивного СВЧ-разряда в рабочей камере с подводом теплоты могут соответствовать электромагнитной волне типа Е на ее моде E₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора. Также для инициации пробивного СВЧ-разряда является приемлемой структура электромагнитной волны типа Н на ее моде Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора, интересная тем, что на этой моде резонатор имеет высокую стабильную добротность, способствующую осуществлению СВЧ-разряда при меньшей СВЧ-мощности.

Необходимо понимать, что при одной и той же частоте вводимой в резонатор СВЧ-мощности, в зависимости от возбуждаемого типа и моды электромагнитной волны - резонансные размеры цилиндров будут разными.

Пример практической реализации устройств (микроволново-искрового) плазменного зажигания СВЧ-разрядом, примененного для зажигания горючей смеси в ДВС, описан в патенте РФ №2418978 (опубл. 20.05.2011 г.), где использованы магнетроны от бытовых СВЧ-печей с частотой 2450 МГц.

https://www1.fips.ru/regi sters-doc-view/fips_servlet?DB=RUP AT&DocNumber=2418978&TypeFile=html

Учитывая, что на территории Российской Федерации среди разрешенных для промышленного использования имеются электромагнитные колебания с подходящими номинальными частотами: 433,92 МГц, 915 МГц, 2450 МГц, 5800 МГц - при использовании колебаний частоты 2450 МГц, генерируемых в основном магнетронными СВЧ-приборами, для волны моды Е₀₁₀ аналитически рассчитанный «резонансный» диаметр рабочей плазменно-вихревой камеры с подводом теплоты будет находиться в интервале около 85-95 мм (а именно: примерно 92 мм). Более точное (конкретное) значение диаметра определяется эмпирически, т.к. зависит еще от ряда факторов: конструкции активаторов, материалов стенок рабочей камеры, поршня, головки, состава и давления рабочего газа и др. Таким образом, при обратно пропорциональной зависимости диаметра от резонансной частоты - можно рассчитать и другие примерные «резонансные» диаметры рабочих камер ДВПТ, например, для частот 915 МГц и 433,92 МГц (на моде Е₀₁₀ - см. ниже).

Для гарантированного «зажигания» СВЧ-разряда в условиях высокой компрессии рабочего газа - дополнительно может быть использован и другой (автономный) активатор, расположенный в поршне и выполненный в виде узконаправленного (в сторону СВЧ-ввода) осевого точечного радиоактивного источника ионизирующего излучения, например, «Радиоизотопный источник начальной ионизации», согласно а.с.SU 1803945 (опубл. 23.03.1993 г.).

https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=RUPAT&DocNumber=1803945&TvpeFile=html

То есть ввод плазмообразующей энергии активации рабочего газа может быть выполнен в виде штыревого или петлевого СВЧ-ввода микроволновой энергии, или в виде штыревого или петлевого СВЧ-ввода микроволновой энергии и дополнительного ввода плазмообразующей энергии в виде автономного активатора, размещенного в поршне и выполненного как радиоактивный источник ионизирующего излучения, или в виде сборки: СВЧ-ввода микроволновой энергии с встроенной в него или присовокупленной к нему искровой свечой зажигания, или виде сборки: СВЧ-ввода микроволновой энергии с встроенной в него или присовокупленной к нему искровой свечой зажигания, и дополнительного ввода плазмообразующей энергии активации рабочего газа и пробойной инициации СВЧ-разряда в виде автономного активатора, размещенного в поршне и выполненного как радиоактивный источник ионизирующего излучения.

При практической реализации изобретения, конечно же, надо стремиться избегать применения «радиоактивных активаторов» (по причине необходимости лицензирования и специальных режимов на их эксплуатацию).

Поэтому, по мнению автора, применение «радиоактивных активаторов» будет оправдано лишь при использовании в мощных поршневых силовых энергетических установках (СЭУ) и судовых двигателях (например, газовозов) с «резонансными» диаметрами рабочих камер порядка 240 мм или 500 мм.

Рядами двигателей с тремя-четырьмя типономиналами «резонансных» диаметров цилиндров можно перекрыть широкий диапазон мощностей для любых объектов применения - как подвижных (наземных, воздушных, водных), так и стационарных - от 5 до 25000 л.с. (пример аналога - судовой двигатель «WARTSILA 50DF» с диаметром поршня в рабочей камере 500 мм).

В двигателях с рабочими камерами, имеющими диаметр 85-95 мм, «уход» от применения «радиоактивных активаторов» может быть обеспечен увеличением СВЧ-мощности. Необходимо иметь в виду, что «бытовые» печные магнетроны «выдают» СВЧ-мощность 500-2000 Ватт (при воздушном охлаждении) и до 5 кВт (при жидкостном охлаждении). При этом мощность магнетрона зависит от величины его напряжения накала. А значит, при использовании магнетронного источника СВЧ плазмообразующей энергии активации необходим источник питания магнетрона гораздо большей мощности (с учетом КПД магнетрона и источника его питания вместе взятых).

Учитывая, что воздействие плазмообразующей энергией на рабочий газ необходимо только при его сжатии, что составляет половину периода двухтактного рабочего процесса - один магнетрон можно применять для «запитывания» двух противофазных цилиндров двухтактного двигателя. То есть для широко распространенных компоновок 4-х цилиндрового гибридного двигателя (с двумя парами противофазных цилиндров) - достаточно двух магнетронов с двумя «тройниковыми» делителями СВЧ-мощности и отрезков направляющих каналов (волноводов, коаксиальных радиочастотных кабелей).

При реализации «имплазного» способа работы ДВПТ - «поглощенная» газом плазмообразующая СВЧ-энергия не теряется безвозвратно, а в «объеме теплового эквивалента» преобразуется в полезную механическую работу, а это значит, что двигатель становится еще и «ЭЛЕКТРОтепловым» гибридом, способным работать в «бестопливном» режиме от микроволновой энергии.

Также для плазмообразования в рабочем газе могут быть использованы высокочастотные (ВЧ) электромагнитные колебания (ВЧЕ-разряд), например, описанные в патенте RU 2554512 (опубл. 27.06.2015 г.): «СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕПЛОВОЙ И ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРЕИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ».

https://www1.fips.ru/registers-cloc-vicvv/iips_seTvlet?DB^RUPAT<M)oeNunibeT^2554512&TypcFi!e=html

При работе камер с внешним подводом теплоты неизбежны как утечки рабочего газа из них (особенно газообразного компримированного водорода, не только через подвижные уплотнения, но и через тело стенок камеры), так и штатный «сброс» части рабочего газа из рабочей камеры обратно в резервуар-хранилище, либо в балластную камеру с управляемым изменяемым объемом, связанную газоходным каналом с вытеснительной полостью (устройство управления начальным давлением рабочего газа и степенью сжатия), либо в камеру сгорания для целей управления мощностью ДВПТ. То есть рабочий газ является, в какой-то степени расходным «ресурсом».

Поэтому для обеспечения автономности, есть смысл производить водород, либо другой рабочий газ или смесь газов устройствами, непосредственно входящими в состав гибридного двигателя.

Примером такого устройства может являться электролизер, производящий электролизом из воды (в том числе полученной из атмосферной влаги) как рабочий газ - водород, так и газообразный кислород, который можно использовать для дожигания отходящих выхлопных газов и обогащения окислителем топливовоздушной смеси для камеры сгорания.

Поскольку рабочий газ в камере с подводом теплоты должен находиться с начальным давлением, превышающим атмосферное - полученный водород необходимо компримировать, для чего гибридный двигатель может дополнительно содержать, как минимум один, вспомогательный компрессор.

Работа тепловой рабочей камеры внутреннего сгорания.

При уменьшении объема подпоршневой тепловой рабочей 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 32) и воспламенение от воздействия высоковольтного искрового разряда на свече зажигания 33. Выделившаяся при этом теплота нагревает сжатую смесь, от чего резко возрастает ее давление на подпоршневую рабочую поверхность 17 теплового поршня и производится полезная работа по перемещению поршня с ее передачей выходному валу 4 и надпоршневой поверхности 16 теплового 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 15 (холодильник), но распылителями и искровыми электродами «проникают» в камеру сгорания 10.

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. Здесь также уместно применение «СВЧ-зажигания».

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 35 на выходе из пустотелой обечайки канала отвода газов служат для выхлопа газов в атмосферу и объединены через выхлопные трубки 36 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 (межпоршневой юбки) и выполненный в виде торообразной пустотелой полости 29 с, как минимум одним, приосевым радиальным входным каналом 30, связывающим полость с проходящим в поршне каналом 28 подачи воздуха или топливовоздушной смеси, и, как минимум одним, тангенциальным каналом 31, выходящим на боковую поверхность межпоршневой юбки 18 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 тепловой рабочей камеры внутреннего сгорания через тангенциальный канал (каналы) аэродинамического клапана происходит еще и завихрение выходящих потоков по типу «swirl» (по не «tumble») для лучшего перемешивания впрыснутой форсункой порции топлива.

Для компрессионного разделения тепловых 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 уплотнения (смазываемые металлические/композитные поршневые кольца).

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: положением дроссельной заслонки, управление фазами воздухоподачи и степенью сжатия, а также фазой и количеством впрыска топлива форсункой, управление моментом зажигания, преднаддувом воздуха, реализованным с помощью турбокомпрессора или электронагнетателя.

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 возможности форсажа «теплогибридной» 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 гибридный двигатель-электрогенератор-аккумулятор-электропривод-движитель.

«Авиационная» электромашина может быть облегченной за счет намотки проводом из высокотемпературного сверхпроводника (ВТСП), например, производства компании "СуперОкс". ВТСП-провода/ленты работают при температуре минус 180-250 градусов Цельсия и имеют плотность тока более 500 А/мм², что позволяет при заданной мощности на один-два порядка уменьшать вес обмотки по сравнению с обмоткой из меди.

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 еще 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», описанному в патенте RU 2576077 (27.02.2016 г.), https://www1.fips.rii/registers-doc-view/fips_sei-vlet?DB=RUPAT&DocNumbei-=2576077&TypeFile=html

относящегося к категории ДВПТ, с той лишь разницей, что при принудительном вращении вала с поршнями, отсутствии подвода теплоты к нагревателю и отсутствии ввода в цилиндр плазмообразующей энергии активации рабочего газа (например, гелия, водорода или другого хладагента) - температура «нагревателя» будет опускаться до криогенных величин.

Техническим результатом изобретения является совершенствование газораспределительных механизмов, расширение компоновочных возможностей и возможностей использования различных схем механизмов преобразования движения, увеличение периодов замены моторного масла, а также улучшение экологических параметров по качеству выхлопных газов.

Claims

1. Двигатель, имеющий системы управления, смазки, охлаждения, воздухоподачи, топливоподачи, зажигания, газораспределения и газоотведения, корпус-картер с механизмом преобразования поступательного движения поршней во вращательное движение вала, характеризующийся тем, что содержит, как минимум один, ступенчатый цилиндр с головкой, включающий в себя камеру дожигания постоянного объёма, две смежные тепловые рабочие камеры и рабочую камеру воздушного компрессора, образованные с участием поверхностей сдвоенных через межпоршневую юбку двустороннего 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 объёмной кольцевой диафрагмой, поверхностью межпоршневой юбки и надпоршневой поверхностью компрессорного поршня образует рабочую камеру воздушного компрессора с, как минимум одним, впускным клапаном, нагреватель выполнен в виде объёмной внутренней рубашки цилиндра с объёмным днищем, в которой головка цилиндра и надпоршневая поверхность 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 тепловую рабочую камеру внутреннего сгорания, имеющую со смежной тепловой рабочей камерой общую внутреннюю цилиндрическую поверхность нагревателя, как минимум один канал отходящих газов из тепловой рабочей 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 тепловой рабочей камеры внутреннего сгорания как с каналами в нагревателе и его днище, так и с камерой 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.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что впускной клапан камеры воздушного компрессора выполнен как механический клапан и/или аэродинамический обратный клапан в виде торообразной пустотелой полости с, как минимум одним, входным радиальным каналом, и, как минимум одним, выходным тангенциальным каналом.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит аэродинамический обратный клапан, размещенный в геле 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 геле 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 тепловой рабочей камерой внутреннего сгорания и подачи воздуха или топливовоздушной смеси.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршень двигателя является составным, при этом его тело в районе межпоршневой юбки выполнено из жаропрочного металлического сплава, и/или керамики, и/или композитного материала.

5. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ввод плазмообразующей энергии активации рабочего газа размещен в головке или на поверхности цилиндра и выполнен в виде источника искрового разряда, или источника дугового разряда, или источника лазерного излучения, 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 ультрафиолетового излучения, или в виде ввода от источника рентгеновского излучения.

6. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что ввод плазмообразующей энергии активации рабочего газа выполнен в виде штыревого или петлевого СВЧ-ввода микроволновой энергии, или в виде СВЧ-ввода микроволновой энергии и дополнительного ввода плазмообразующей энергии в виде автономного активатора, размещенного в поршне и выполненного как радиоактивный источник ионизирующего излучения, или в виде сборки: СВЧ-ввода микроволновой энергии с встроенной в него искровой свечой зажигания, или виде сборки: СВЧ-ввода микроволновой энергии с встроенной в него искровой свечой зажигания, и дополнительного ввода плазмообразующей энергии активации рабочего газа и пробойной инициации СВЧ-разряда в виде автономного активатора, размещенного в поршне и выполненного как радиоактивный источник ионизирующего излучения.

7. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что рабочая камера с подводом теплоты выполнена в виде цилиндрического объемного СВЧ-резонатора с таким внутренним диаметром и высотой, для которых частота вводимой СВЧ-энергии активации рабочего газа является резонансной.

8. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что тип колебаний и структура электромагнитного поля для активации рабочего газа посредством инициации пробивного СВЧ-разряда в рабочей камере с подводом теплоты соответствует моде Е₀₁₀, или моде Е₀₁₁, или моде H₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора.

9. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройства микроволнового СВЧ-зажигания горючей топливной смеси в тепловой камере внутреннего сгорания двигателя.

10. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройства, позволяющие изменять начальное давление газов и/или степень сжатия газов в тепловых камерах двигателя.

11. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, как минимум одно, устройство получения водорода или другого рабочего газа, или смеси газов.

12. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, как минимум один, вспомогательный газовый компрессор.

13. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, как минимум одну, электрическую машину.

14. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, как минимум одну, холодильную машину.

15. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно содержит, как минимум один, турбокомпрессор наддува воздуха и/или воздушный электрический нагнетатель, и/или механический нагнетатель воздуха.