Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, конкретнее к двухтактным двигателям внутреннего сгорания, и заключается в том, что с целью повышения КПД и массогабаритных характеристик в выпускном тракте двухтактного двигателя установлена обратимая газовая турбина, в фазе свободного выпуска действующая как турбина, а в фазе продувки - как насос или компрессор, обеспечивающий всасывание свежего заряда воздуха или смеси. Рассмотрены варианты двигателя с турбинами-компрессорами в перепускном канале и др. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, конкретнее к ДВС.

Известен комбинированный двухтактный ДВС, содержащий рабочие цилиндры с продувочными окнами, соединенными с ресивером, и выпускные клапаны, соединенные с выпускным трактом, в котором расположен центробежный турбокомпрессор. Сжатый воздух на выходе турбокомпрессора подается на вход дополнительного роторного компрессора, после которого поступает в ресивер.

Недостатками этого ДВС являются: сложность конструкции, значительные габариты и масса, пониженная надежность, обусловленные наличием двух компрессоров, большого числа газоводов, повышающего редуктора между коленвалом и роторным компрессором; низкий КПД использования энергии выпускных газов вследствие дросселирования их в выпускных клапанах и газоводах, низкого КПД турбокомпрессора (порядка 0,5), механических потерь в редукторе.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. повышение КПД и массогабаритных характеристик, надежности, упрощение конструкции.

Цель достигается установкой в выпускном тракте вблизи выпускных окон цилиндров обратимых газовых турбин, выполняющих также функции компрессоров, использованием давления выпускных газов для сжатия продувочного воздуха в перепускном канале и подключением последнего к подпоршневым полостям рабочих цилиндров.

На фиг. 1 изображен рабочий цилиндр двигателя в осевом разрезе; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 1.

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, в котором выполнены два ряда выпускных и впускных окон 2, 3, два ряда выпускных и впускных окон 4, 5, размещены впускной поршень 6 и выпускной поршень 7, имеющие на боковых поверхностях каналы-выемки 8, 9, между поршнями и крышками 10 заключены подпоршневые полости 11, 12. Штоки поршней 13, 14 соединены с механизмом преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение силового вала, например, в виде качающегося коромысла и втулки на косом кривошипе (на чертежах не показан). Механизм преобразования обеспечивает движение поршней во взаимно противоположных направлениях. На цилиндре закреплен перепускной канал в виде оболочек с полостями 15, 16, 17, последовательно соединенных и расположенных коаксиально между собой; по оси канала размещен вал 18 с рабочими колесами газовых турбин 19, 20, расположенных соответственно на входе 21 и выходе 22 перепускного канала. Выход канала через отверстие 23 и трубопроводы 24, 25 соединен с подпоршневыми полостями 11, 12, во входе канала 21 установлен дроссель в виде поворотной заслонки 26, кинематически связанной посредством рычага 27 и тяги 28 с датчиком числа оборотов силового вала, например с центробежным регулятором оборотов. Конструкция турбин 19, 20 должна обладать свойством обратимости, т.е. обеспечивать работоспособность и достаточную эффективность в качестве газовой турбины и компрессора при неизменном направлении вращения и газового потока. Широко применяемые в агрегатах наддува центростремительные газовые турбины в предлагаемой конструкции практически неприемлемы, поскольку неэффективны в качестве компрессора. В предлагаемой конструкции могут быть использованы газовые турбины центробежного и осевого типов. Рабочее колесо центробежной турбины изображено на фиг. 3, его конструктивной особенностью являются радиальные лопатки, загнутые на входе вперед по вращению, а на выходе назад по вращению. На выходе колесо соединено с выполненным в корпусе безлопаточным диффузором 29, причем такое исполнение обусловлено принципиальными требованиями работоспособности, а не критериями технологичности и простоты конструкции, определяющими подобное исполнение в малогабаритных центробежных компрессорах в применяемых агрегатах наддува. В известных конструкциях центробежных турбин и компрессоров лопатки диффузора имеют противоположное направление относительно направления вращения колес, поэтому условие обратимости турбины-компрессора может быть реализовано только с безлопаточным диффузором (если не применять сложных диффузоров с поворотными лопатками).

Исполнение газовой турбины-компрессора осевого типа для предложенного двигателя тоже имеет конструктивные особенности: лопасти рабочего колеса должны иметь аэродинамический профиль, близкий к симметричному. Как известно, лопатки осевой газовой турбины выполняются вогнутыми со стороны входа, а лопатки осевого компрессора (вентилятора) имеют выпуклый профиль, поэтому для обратимого устройства предпочтителен компромиссный вариант - симметричный профиль с разверткой осевой линии, близкой к прямой. Допускаемая асимметричность определяется оптимизацией при проектировании и опытным путем.

На выходе или входе перепускного канала может быть установлена одна турбина-компрессор, возможно размещение на входе и выходе двух автономных турбин-компрессоров или (как изображено на фиг. 1) две турбины-компрессора могут быть установлены на общем валу, причем выходной конец вала может быть соединен с приводом вспомогательных агрегатов (вентилятора системы охлаждения, генератора, маслонасоса) или через редуктор с силовым валом двигателя.

Возможны различные варианты исполнения предлагаемого двигателя. Эффективность двигателя может быть значительно повышена введением в конструкцию клапанного переключателя с тремя полостями 30, 31, 32 (фиг. 2), из которых полость 30 сообщена с выпускным рессивером 33, полость 31 трубопроводами 24, 25 соединена с подпоршневыми полостями 11, 12, а полость 32 трубопроводом 34 соединена с отверстием 23, т.е. с выходом перепускного канала, или с наружной воздушной средой.

Полости коммутируются двухтарельчатым клапаном 35, поджатым с одной стороны упругим элементом 36 (пружиной и/или сжатым воздухом) и снабженным с противоположной стороны пневмоприводом с поршнем 37, неподвижно скрепленным с рабочим цилиндром двигателя и соединенным отверстием 38 с рабочей камерой цилиндра, причем отверстие смещено относительно окон 4 к центру камеры на величину l.

Представляется очевидным, т.е. не требующим подробного описания, вариант простого двухтактного двигателя, выпускной тракт которого не содержит перепускного канала. В этом варианте одна обратимая турбина-компрессор размещается на входе выпускного патрубка цилиндра.

Действие упомянутого двигателя тоже весьма просто: в фазе свободного выпуска продукты сгорания под давлением порядка 3 бар расширяются в выпускной патрубок, сообщают микротурбине ускоренное вращение, затем в фазе последующей продувки рабочее колесо вращается по инерции (супермаховик) и благодаря свойству обратимости действует как компрессор или вентилятор, осуществляя всасывание заряда воздуха (в дизелях) или бензовоздушной смеси; затем следуют циклы сжатия, сгорания и расширения. При этом по сравнению с традиционными турбокомпрессорами устройство характеризуется простотой, малыми габаритами и массой, поскольку имеется одно рабочее колесо вместо двух, нет большого числа корпусных деталей, сопловых лопаток, улиток и т.д. Возрастает полнота использования энергии выхлопных газов, поскольку турбина-компрессор расположена непосредственно вблизи выпускных окон цилиндра, и устраняются потери в газоводах.

Цикл работы двигателя с перепускным каналом сложнее: в фазе продувки выпускного канала (фиг. 1) вращающиеся по инерции турбины-компрессоры 19, 20 действуют в режиме компрессора и очищают перепускной канал от продуктов сгорания, при этом через отверстие 23 и трубопроводы 24, 25 сжатый воздух из подпоршневых полостей 11, 12 выпускается на выход перепускного канала и далее через окна 3, 2, каналы 8 и патрубок 39 наружу. В начальной фазе этой продувки в выпускном канале имеется избыточное давление ≈ 6 бар и рабочее колесо турбины 19 работает в режиме газовой турбины. По окончании продувки перепускного канала движением поршней 6, 7 полость канала отсоединяется от выпускного 39 и впускного 40 патрубков, в рабочей камере цилиндра 1 происходит процесс расширения, воздух из подпоршневых полостей вытесняется в перепускной канал, давление на его выходе возрастает примерно до 3 бар. Процесс расширения завершается вблизи нижней мертвой точки при давлении в рабочей камере ≈ 15 бар, при этом кромки днищ поршней приходят в положения 41, 42 и открывают выпускные окна 4, продукты сгорания под указанным значительным давлением в фазе свободного выпуска подаются на вход турбины 20, ускоряют ее и заполняют часть перепускного канала, сжимая воздух в другой его части, примыкающей к выходу, до давления ≈ 5 бар, такое же давление возникает в подпоршневых полостях. После фазы свободного выпуска поршень 6 открывает впускные окна 3, газовый контур перепускной канал - рабочая камера цилиндра замыкается (закольцовывается) и газовая среда напором турбин-компрессоров 19, 20 движется таким образом, что продукты сгорания размещаются в перепускном канале, а свежий воздушный заряд - в рабочей камере.

При этом для предупреждения чрезмерного перемещения газа (при котором свежий заряд и продукты сгорания могут снова поменяться местами) проходное сечение на входе в перепускной канал регулируется в зависимости от скоростного режима дроссельной заслонкой 26.

После продувки рабочей камеры перепускной канал изолируется от впускных и выпускных патрубков, совместная работа турбин-компрессоров 19, 20 создает дополнительный напор в подпоршневых полостях до ≈ 10 бар, в процессе сжатия в рабочей камере в подпоршневых полостях осуществляется расширение сжатого воздуха и передается дополнительная мощность на вал двигателя. Поскольку давление в подпоршневых полостях в процессе расширения в них существенно больше, чем при сжатии (≈ 10 бар против ≈ 2), дополнительная мощность является положительной. Эта мощность может быть увеличена при наличии клапанного переключателя (фиг. 2), который при продувке перепускного канала силой упругого элемента 36 приводится в нормально открытое положение, при котором подпоршневые полости соединяются с входом перепускного канала, где турбины-компрессоры 19, 20 создают разрежение, поэтому давление значительно ниже (после отсечки перепускного канала порядка ≈ 0,5 бар). Перед продувкой рабочей камеры давление газа в последней через отверстие 38 воздействует на клапан 35 и переключает клапан, соединяя подпоршневые полости с выходом перепускного канала с повышенным давлением. Разность давления в подпоршневых полостях при прямом и обратном ходах увеличивается (≈ 10 бар против ≈ 0,5), соответственно возрастает дополнительная мощность.

Технико-экономическая эффективность изобретения обусловлена следующими факторами.

Применение для продувки обратимых газовых турбин-компрессоров, установленных на входе выпускного патрубка, упрощает конструкцию, уменьшает габариты и массу, повышает КПД использования энергии выпускных газов.

Исполнение перепускного канала в виде коаксиальных последовательно соединенных полостей позволяет сократить его габариты при сравнимых длине и сечении.

Наличие дроссельной заслонки во входе (или выходе) перепускного канала позволяет исключить возврат продуктов сгорания в рабочую камеру при ее продувке, уменьшить коэффициент остаточных газов и коэффициент избыточности продувочного воздуха, т.е. повысить качество и экономичность продувки.

Конструкция клапанного переключателя позволяет увеличить дополнительную мощность, реализуемую в подпоршневых полостях, обеспечивает повышение КПД и мощности двигателя.

Формула изобретения

1. ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащий цилиндры с поршнями и продувочными окнами, соединенными с выпускным трактом, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и массогабаритных характеристик, в выпускном тракте установлена обратимая газовая турбина-компрессор.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что турбина-компрессор выполнена в виде центробежной турбины с безлопаточным диффузором.

3. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что турбина-компрессор выполнена осевой с симметричным профилем лопаток.

4. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что в выпускном тракте выполнен перепускной канал, вход которого соединен с выпускными окнами цилиндра, а выход - с впускными окнами и подпоршневыми полостями, при этом турбины-компрессоры расположены во входе и (или) выходе перепускного канала.

5. Двигатель по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что во входе выпускного тракта установлен регулируемый дроссель, кинематически связанный с датчиком частоты вращения вала, например с центробежным регулятором.

6. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что перепускной канал состоит из коаксиально расположенных и последовательно соединенных полостей.

7. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что турбины-компрессоры на входе и выходе перепускного канала установлены на общем валу.

8. Двигатель по п.4, отличающийся тем, что он снабжен пневмопереключателем, клапан которого снабжен упругим элементом и пневмоцилиндром с полостью, соединенной с полостью рабочего цилиндра двигателя, причем в одном положении переключателя подпоршневые полости соединены с выходом перепускного канала, в другом - с входом канала или с наружной средой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3