UA125772C2 - Паровий двигун внутрішнього згоряння (варіанти) - Google Patents

Abstract

Винахід належить до двигунобудування, а саме до двигунів внутрішнього згоряння, і може бути використаний в енергомашинобудуванні, тепловозобудуванні, суднобудуванні, авіації, тракторобудуванні і автомобілебудуванні. Запропоновано варіанти парового двигуна внутрішнього згоряння, що включає щонайменше один циліндр з поршнем і шатуном, скріпленим з колінчастим валом, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом і камерою згоряння з паливної форсункою, при цьому циліндр двигуна забезпечений впускним клапаном і випускним клапаном і форсункою для вприскування рідини. Новим в двигуні за першим варіантом є те, що камера згоряння забезпечена щонайменше однією свічкою запалювання і щонайменше однією форсункою для вприскування в камеру згоряння води, випускним клапаном і впускним клапаном, а між камерою згоряння і циліндром додатково встановлено клапан відкриття-закриття камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння. У двигуні за другим варіантом камера згоряння забезпечена щонайменше однією форсункою для вприскування в камеру згоряння води, випускним клапаном і впускним клапаном, а між камерою згоряння і циліндром додатково встановлено клапан відкриття-закриття камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння.

Description

Винахід належить до двигунобудування, а саме до двигунів внутрішнього згоряння, і може бути використаний в енергомашинобудуванні, тепловозобудуванні, суднобудуванні, авіації, тракторобудуванні і автомобілебудуванні.

З рівня техніки відомий спосіб роботи теплового двигуна (А.С. Мо 1090906 СРСР, МПК РгО2В 47/02, опубл. 07.05.1984), наприклад поршневого двигуна внутрішнього згоряння, шляхом подачі в циліндри свіжого заряду, спалювання в ньому палива, розширення продуктів згоряння, уприскування води в стиснуті продукти згоряння, її випаровування, розширення і випуску пари і продуктів згоряння, в якому після розширення перед стисненням продукти згоряння частково випускають з циліндрів в атмосферу. Даний двигун не забезпечує повного спалювання палива і, відповідно, отримання високого ККД, зменшення рівня токсичності відпрацьованих газів.

Відомий двигун внутрішнього згоряння, в якому для підвищення його коефіцієнта корисної дії (ККД) застосовують воду, яку вприскують в робочий циліндр двигуна у вигляді дрібних крапель під тиском близько 150 атмосфер, коли поршень повертається в робоче положення (Паровий фантом палива: б-тактний двигун Кроуера. - Популярна механіка. - 2008. - Мо 6 (68)).

Вода в нагрітому циліндрі випаровується, обертається в пару, надаючи додатковий тиск на поршень, що забезпечує більш повне використання теплової енергії. Внаслідок цього ККД двигуна істотно підвищується приблизно на 4095. Спосіб управління відомим двигуном, сприяючи додатковому охолодженню двигуна, не дозволяє утилізувати більшу частину теплової енергії, яка забирається водяною парою, її викидають в атмосферу під час продування робочого циліндра. У відомому двигуні використовується одна камера згоряння, яка з'єднана з циліндром і поршнем. Під час робочого ходу і випуску в третьому і четвертому такті відповідно задіяна велика кількість енергії тепла, яка в подальшому не повністю використовується, а викидається в атмосферу, що і є недоліком.

Відомий спосіб роботи шеститактного двигуна внутрішнього згоряння (Патент РФ

Мо2119073, МПК РО2В 75/02, опубл. 20.09.1998), який включає впуск в циліндр повітря на першому такті, стиснення на другому такті, вприскування палива в стиснене повітря, займання і спалювання палива, розширення продуктів згоряння на третьому такті, на четвертому такті додаткове стиснення продуктів згоряння і частинок незгорілого палива, вприскування рідини в надпоршневий простір, на п'ятому такті пароутворення рідини і допалювання частинок палива,

Зо на шостому такті витиснення в атмосферу продуктів згоряння з частинками пари, що відрізняється тим, що в надпоршневий простір вприскують рідину в кінці четвертого такту, як рідину використовують нейтралізуючу рідина або нейтралізуючу рідину в суміші з малотоксичних паливом, яка нейтралізує відпрацьовані гази. З цього документа відомий шеститактний двигун внутрішнього згоряння, що містить колінчастий вал, циліндро-поршневу групу, механізм для подачі палива в циліндр і додаткову форсунку для вприскування рідини, в якому механізм для подачі палива в циліндр і додаткова форсунка виконані у вигляді комбінованої форсунки для спільного вприскування палива і рідини, що нейтралізує, в суміші з малотоксичним паливом. У відомому двигуні одна камера згоряння, яка поєднана з циліндром і поршнем. Під час робочого ходу і випуску в третьому і четвертому такті відповідно задіяна велика кількість енергії тепла, що в подальшому не повністю використовується, а викидається в атмосферу, що і є недоліком.

Відомий шеститактний двигун внутрішнього згоряння (Патент РФ Мо 2642973, МПК РГО28 47/02, БО20 5/02, опубл.02.03.2017), що включає щонайменше один циліндр з поршнем і шатуном, скріпленим з колінчастим валом, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом і камерами згоряння, що відрізняється тим, що кожна камера згоряння виконана циліндроконічною і забезпечена щонайменше однією свічкою запалювання і щонайменше однією форсункою для вприскування в камеру згоряння води, двигун додатково забезпечений ємністю з водою і імпульсним насосом високого тиску для подачі води через форсунку в продукти згоряння, стиснуті після робочого ходу від горіння бензиноповітряної суміші для здійснення додаткового робочого ходу, причому свічка запалювання вмонтована в циліндричній частині камери згоряння, а форсунка вмонтована в конічній частини камери. Дане рішення вибрано за найближчий аналог до двигуна, що заявляється. Двигун по найближчому аналогу порівняно з відомими раніше двигунами забезпечує більш повне згоряння палива, що підвищує його потужність і стабільність роботи і знижує токсичність вихлопних газів. Однак при роботі двигун по найближчому аналогу інтенсивно нагрівається, що вимагає застосування системи охолодження, і знижується коефіцієнт корисної дії двигуна. У відомому двигуні одна камера згоряння, яка поєднана з циліндром і поршнем. Під час робочого ходу і випуску в третьому і четвертому такті відповідно задіяна велика кількість енергії тепла, що в подальшому не повністю використовується, а викидається в атмосферу, що і є недоліком.

Задача винаходу полягає в збільшенні ККД двигуна за рахунок максимального використання енергії тепла і зменшенні втрат палива, що досягається завдяки введенню в конструкцію двигуна додаткового клапана відкриття-закриття камери згоряння, який створює окрему камеру згоряння.

За першим варіантом, поставлена задача вирішується тим, що запропонований паровий двигун внутрішнього згоряння, що включає щонайменше один циліндр з поршнем і шатуном, скріпленим з колінчастим валом, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом і камерою згоряння з паливної форсункою, при цьому циліндр двигуна забезпечений впускним клапаном і випускним клапаном і форсункою для вприскування рідини, в якому, відповідно до винаходу, камера згоряння забезпечена щонайменше однією свічкою запалювання і щонайменше однією форсункою для вприскування в камеру згоряння води, випускним клапаном і впускним клапаном, а між камерою згоряння і циліндром додатково встановлено клапан відкриття-закриття камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння.

За другим варіантом, поставлена задача вирішується тим, що запропонований паровий двигун внутрішнього згоряння, що включає щонайменше один циліндр з поршнем їі шатуном, скріпленим з колінчастим валом, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом і камерою згоряння з паливної форсункою, при цьому циліндр двигуна забезпечений впускним клапаном і випускним клапаном і форсункою для вприскування рідини, в якому, відповідно до винаходу, камера згоряння забезпечена щонайменше однією форсункою для вприскування в камеру згоряння води, випускним клапаном і впускним клапаном, а між камерою згоряння і циліндром додатково встановлено клапан відкриття-закриття камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння.

Нова конструкція двигуна дозволяє використовувати камеру згоряння, яка закривається під час займання паливно-повітряної суміші, даючи їй можливість згоряти при постійному об'ємі, а також дає можливість більш тривалого часу горіння для повного згоряння палива, і відкривається для розігріву води, яка створює додаткове робоче тіло у вигляді пари високого тиску. Це дозволить використовувати енергію тепла в повному об'ємі та підвищити тепловий

ККД в два рази порівняно з традиційними двигунами.

Зо Завдяки створенню окремої камери згоряння, яка створює умови для розподілу енергії тепла не на два, а на три робочих ходи, з'являється можливість в заявленому двигуні(ах) використовувати енергію тепла в повному об'ємі, що призводить до збільшення ККД двигуна.

Двигун за першим варіантом переважно буде використовуватися для бензинового палива, а для використання палива, яке буде запалюватись від температури швидкого стиснення за принципом дизельного двигуна, запропонований двигун за другим варіантом, в якому відсутня свічка запалювання.

Заявлений винахід пояснюється кресленнями, де на Фіг. 1 схематично зображено запропонований двигун за першим варіантом, а на Фіг. 2 схематично зображено запропонований двигун за другим варіантом.

Паровий двигун внутрішнього згоряння (як показано на Фіг. 1) включає циліндр 2 з поршнем 1 ї шатуном 3, скріпленим з колінчастим валом 4 з маховиком 5, головку блока циліндрів 6, блок циліндрів 7 з газорозподільним механізмом і камерою згоряння 8 з паливною форсункою 9.

Циліндр 2 двигуна забезпечений впускним клапаном 10 і випускним клапаном 11 і форсункою 12 для вприскування рідини. Камера згоряння 8 забезпечена свічкою запалювання 13, форсункою для вприскування 14 в камеру згоряння води, випускним клапаном 15 і впускним клапаном 16, а між камерою згоряння 8 і циліндром 2 додатково встановлено клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння.

Нижче наведено опис способу роботи парового двигуна внутрішнього згоряння (далі по тексту ПДВС) за першим варіантом, який складається з восьми тактів. Кожен такт роботи ПДВС становить один хід поршня в межах від верхньої до нижньої мертвої точки.

У першому такті поршень 1 здійснює рух від верхньої (ВМТ) до нижньої мертвої точки (НМТ).

У цей час відкриваються впускний клапан 16 камери згоряння, впускний клапан циліндра 10, клапан відкриття-закриття камери згоряння 17, і всередину циліндра 2 та камери згоряння 8 надходить повітря. Додатковий об'єм повітря може надходити за допомогою компресора або турбіни.

У другому такті стиснення при початку руху поршня 1 від НМТ до ВМТ при відкритому клапані відкриття-закриття 17 камери згоряння і закритих впускних і випускних клапанах 10, 15, 11 ї 16 відбувається вприскування палива форсункою 9 в камеру згоряння 8. Режим роботи бо форсунок палива і води визначається електронікою, на що вже існують розробки, які можливо буде застосувати в даному двигуні. При подальшому русі поршня 1 до ВМТ відбувається стиснення і перемішування палива з повітрям. Паливо знаходиться в камері згоряння 8, не потрапляючи в циліндр 2. Це відбувається за рахунок постійного потоку і переміщення повітря з циліндра 2 в камеру згоряння 8. При підході поршня 1 до ВМТ, і при досягненні оптимального тиску, залежно від виду палива (різні види палива повинні згоряти при різних температурах і тисках, щоб уникнути детонації), камера згоряння 8 закривається клапаном відкриття-закриття 17 камери згоряння і відбувається займання паливно-повітряної суміші від свічки запалювання 13. Поршень 1 продовжує рух до ВМТ, створюючи тиск в циліндрі 2 близько 2-3 МПа, а форсунка 12 проводить вприскування води в циліндр 2. Вода в циліндрі 2, що потрапила на стінки камери згоряння 8, які нагріваються від займання паливно-повітряної суміші і від великої температури при швидкому стисканні в циліндрі 2, швидко і рівномірно нагрівається і перетворюється на пару. У камері згоряння 8 створюється великий тиск близько 5-6 МПа від згоряння паливно-повітряної суміші при постійному об'ємі.

При досягненні поршнем 1 ВМТ під час третього такту клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння тимчасово відкривається. З камери згоряння 8 частина розігрітого робочого тіла спрямовується в циліндр 2, перемішується з водяною парою, що знаходяться в циліндрі 2, створює великий тиск і тисне на поршень 1. Після вирівнювання тиску в циліндрі 2 і камері згоряння 8, клапан відкриття-закриття камери згоряння 17 закривається. Частина робочого тіла тимчасово консервується до п'ятого такту в камері згоряння 8, а друга, парогазова частина, яка знаходиться в циліндрі 2, продовжує робочий хід і тиск на поршень 1.

Під час четвертого такту руху поршня 1 від НМТ до ВМТ відкривається випускний клапан циліндра 11, через який частина вихлопних газів з парою виштовхуються з циліндра 2 у випускний трубопровід (не показано), а потім і в навколишнє середовище, при цьому камера згоряння 8 і клапана впускні і випускні 10, 15 і 16 залишаються закритими. При підході поршня 1 до ВМТ клапан 11 закривається, і решта вихлопних газів залишається в циліндрі 2 і стискається для створення тиску в межах 3-4 МПа. Коли поршень 1 піддійте до ВМТ форсунка 12 здійснить уприскування води в циліндр 2. Вода, що потрапила в циліндр 2, швидко і рівномірно випаровується від тиску і перемішування з гарячими відпрацьованими газами.

При досягненні поршнем 1 ВМТ, в п'ятому такті відкривається клапан відкриття-закриття

Зо камери згоряння 17 і з камери згоряння 8 решта розігрітого робочого тіла переміщається в циліндр 2, перемішується з водяною парою, що знаходяться в циліндрі 2, створює великий тиск і тисне на поршень 1. При закінченні п'ятого такту клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння закривається і в камеру згоряння 8 проводиться вприскування води форсункою 14. Вода, яка потрапила на розпечені стінки камери згоряння 8, нагрівається, перетворюється на пару і створює додаткове робоче тіло високого тиску для сьомого такту третього робочого ходу у вигляді пари з відпрацьованими газами.

Під час шостого такту руху поршня 1 від НМТ до ВМТ відкривається випускний клапан циліндра 11, через який частина вихлопних газів виштовхується з циліндра в випускний трубопровід (не показано), а потім і в навколишнє середовище, при цьому камера згоряння 8 і клапана впускні і випускний 10, 15 і 16 залишаються закритими. При підході поршня 1 до ВМТ клапан 11 закривається, і решта вихлопних газів залишається в циліндрі 2, і стискається для створення тиску в межах 3-4 МПа.

Під час сьомого такту відбувається третій робочий хід даного двигуна. Коли поршень підійде до ВМТ клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння відкривається і парогазова суміш призведе в рух поршень 1 до НМТ.

Під час руху поршня 1 до ВМТ в восьмому такті відкриваються випускний клапан циліндра 11 ї випускний клапан камери згоряння 15, а клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння також залишається відкритим. Через випускні клапана 15 і 11 вихлопні гази з парою виштовхуються з циліндра 2 і камери згоряння 8 в випускний трубопровід (не показано). Після цього цикл, починаючи з першого такту, повторюється знову і триває протягом всього часу роботи двигуна.

На Фіг. 2 схематично показаний запропонований двигун за другим варіантом.

Паровий двигун внутрішнього згоряння за принципом роботи дизельного двигуна (як показано на Фіг. 2) включає циліндр 2 з поршнем 1 і шатуном 3, скріпленим з колінчастим валом 4 з маховиком 5, головку блока циліндрів б, блок циліндрів 7 з газорозподільним механізмом і камерою згоряння 8 з паливної форсункою 9. Циліндр 2 двигуна забезпечений впускним клапаном 10 і випускним клапаном 11 і форсункою 12 для уприскування рідини. Камера згоряння 8 забезпечена форсункою для вприскування 14 в камеру згоряння води, випускним клапаном 15 і впускним клапаном 16, а між камерою згоряння 8 і циліндром 2 додатково встановлено клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння 8.

Відмінність ПДВС за принципом роботи дизельного двигуна від роботи двигуна зі свічками запалювання буде полягати тільки в другому такті стиснення.

У другому такті стиснення вприскування палива форсункою 9 відбуватиметься під час підходу поршня 1 до ВМТ, і при досягненні оптимального тиску залежно від виду палива (різні види палива повинні згоряти при різних температурах і тисках, щоб уникнути детонації). Перед подачею палива в камеру згоряння 8 клапан відкриття-закриття 17 камери згоряння закривається. Після потрапляння палива в камеру згоряння 8, паливно-повітряна суміш запалюється від високої температури при швидкому стискуванні. Поршень 1 продовжує рух до

ВМТ, створюючи тиск в циліндрі 2 близько 2-3 МПа, а форсунка 12 здійснює уприскування води в циліндр 2. Вода в циліндрі 2, яка потрапила на стінки камери згоряння 8, які нагріваються від займання паливно-повітряної суміші і від великої температури при швидкому стисканні в циліндрі 2, швидко і рівномірно нагрівається, і перетворюється на пару. У камері згоряння 8 створюється великий тиск близько 5-6 МПа від згоряння паливно-повітряної суміші при постійному об'ємі.

У запропонованому винаході токсичність вихлопних газів знижується за рахунок розведення їх парами води приблизно в два рази, а також знижується шум при вихлопі.

Консервування енергії, а потім її використання в наступних тактах за принципом ПДВС, можна застосовувати в роторних двигунах. Також двигун (варіанти) зможе працювати на будь- якому рідкому, газоподібному і твердому паливі (вугільний пил, деревне борошно і т.д.), так як в камері згоряння і циліндрі присутній система уприскування води, що дозволить очищати від залишків горіння робочі деталі двигуна. В даних двигунах для повного згоряння рідких і твердих палив, які мають тривалий час горіння, можна використовувати дві камери згоряння на один циліндр, які будуть по черзі готувати робоче тіло.

При розробці і створенні двигуна, залежно від застосовуваного виду палива, можливий варіант використання законсервованої енергії на два такти розширення при трьох оборотах колінчастого вала, а цикл двигуна буде складатися з шести тактів. Також можливий варіант роботи двигуна за принципом ПДВС з десяти тактів і чотирьох робочих розширень.

Зо Список позначень прийнятих в даній заявці: 1- поршень; 2 - циліндр;

З - шатун; 4 - колінчастий вал; 5 - маховик; 6 - головка блока циліндра; 7 - блок циліндра; 8 - камера згоряння; 9 - паливна форсунка; 10 - впускний клапан циліндра; 11 - випускний клапан циліндра; 12 - форсунка води циліндра; 13 - свічка запалювання; 14 - форсунка води камери згоряння; 15 - випускний клапан камери згоряння; 16 - впускний клапан камери згоряння; 17 - клапан відкриття-закриття камери згоряння.

Claims (3)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Паровий двигун внутрішнього згоряння, що включає щонайменше один циліндр з поршнем і шатуном, скріпленим з колінчастим валом, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом і камерою згоряння з паливної форсункою, при цьому циліндр двигуна забезпечений впускним клапаном і випускним клапаном і форсункою для вприскування рідини, який відрізняється тим, що камера згоряння забезпечена щонайменше однією свічкою запалювання і щонайменше однією форсункою для вприскування в камеру згоряння води, випускним клапаном і впускним клапаном, а між камерою згоряння і циліндром додатково встановлено клапан відкриття-закриття камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння.

2. Паровий двигун внутрішнього згоряння, що включає щонайменше один циліндр з поршнем і шатуном, скріпленим з колінчастим валом, головку блока циліндрів з газорозподільним механізмом і камерою згоряння з паливної форсункою, при цьому циліндр двигуна забезпечений впускним клапаном і випускним клапаном і форсункою для вприскування рідини, який відрізняється тим, що камера згоряння забезпечена щонайменше однієї форсункою для вприскування в камеру згоряння води, випускним клапаном і впускним клапаном, а між камерою згоряння і циліндром додатково встановлено клапан відкриття-закриття камери згоряння, який виконаний з можливістю відокремлювати надпоршневий простір циліндра від камери згоряння. 12 пов | | г не не о і т З т як ще жишшик имя нн ше

Фіг. 1

17 14 16 12- | рія що М й Ор -Н-6 о еру» винний і -і- 2-3 -

3 с. І.

фіг. 2