Двухтактный двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: энергетика и транспорт. Сущность использования: двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий по меньшей мере два цилиндра с рубашками охлаждения, кожухи головок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, завязанный с поршнями кривошипно-шатунным механизмом, выхлопной коллектор дополнительно снабжен двухцилиндровым двигателем внешнего подвода тепла (ДВПТ), в каждом из цилиндров которого установлен поршень, связанный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом и разделяющий объем цилиндра на холодную и горячую полости, снабжен также коллектором рабочего тела и охлаждающим устройством, а выхлопной коллектор снабжен кожухом. При этом холодные полости соединены между собой через охлаждающее устройство, горячие полости через выпускные клапаны патрубком соединены с рубашками охлаждения цилиндров (ДВС), а через впускные клапаны с коллектором рабочего тела, который соединен с выхлопным коллектором непосредственно, а с его кожухом через обратный клапан. Причем выхлопной коллектор проходит через кожух головок цилиндров ДВС. Кривошипы коленчатого вала для ДВПТ смещены относительно кривошипов для ДВС на 45 град., а между собой на 180 град. 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к высокооборотным двухтактным двигателям внутреннего сгорания.

Известен двигатель внутреннего сгорания по авторскому свидетельству СССР N 1090906, кл.F 02B 47/02, 1984 г. недостатком которого является недостаточно полное использование тепла, выделяемого при сгорании топлива в двигателе, т.к. большое количество тепла теряется в системе охлаждения и уносится с отработавшими газами.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа двухтактный двигатель внутреннего сгорания по патенту N 1796037, кл.F 02 B47/02, 1993 г.

Однако в известном двигателе также большое количество тепла теряется в системе охлаждения и уносится с отработавшими газами, вследствие чего и данному двигателю присуще неполное использование тепла, выделяемого при сгорании топлива.

Целью предлагаемого изобретения является повышение КПД двигателя за счет утилизации рассеиваемого тепла.

Поставленная целью достигается тем, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий по меньшей мере два цилиндра с рубашками охлаждения, кожухи головок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, связанный с поршнями кривошипно-шатунным механизмом, выхлопной коллектор, дополнительно снабжен согласно предлагаемому изобретению двухцилиндровым двигателем внешнего подвода тепла (ДВПТ), в каждом из цилиндров которого установлен поршень, связанный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом и разделяющий объем цилиндра на холодную и горячую полости, коллектором рабочего тела, охлаждающим устройством, а выхлопной коллектор снабжен кожухом; при этом холодные полости цилиндров соединены между собой через охлаждающее устройство, горячие полости через выпускные клапаны соединены патрубком с рубашками охлаждения цилиндров ДВС, а через выпускные клапаны с коллектором рабочего тела, который соединен с выхлопным коллектором непосредственно, а с его кожухом через обратный клапан, причем выхлопной коллектор проходит через кожух головок цилиндров ДВС. Кривошипы коленчатого вала для ДВПТ смещены относительно кривошипов для ДВС на 45^o, а между собой на 180^o.

Сравнение заявляемого устройства с другими известными техническими решениями не позволило выявить отличительные от прототипа признаки. Это соответствует наличию критерия "Изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство поясняется фиг. 1.

Устройство содержит не менее двух цилиндров 1 двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с рубашками охлаждения 2, поршни 3, размещенные в цилиндрах 1 и связанные штоками 4 и шатунами 5 с коленчатым валом 6, кожухи головок цилиндров 7, в которых установлены форсунки 8, 9, первые из которых предназначены для подачи топлива в камеры сгорания 10, а вторые для подачи воды. Форсунки 8 для подачи топлива связаны патрубками 11 с топливным насосом 12, а форсунки 9 для подачи воды соединены патрубками 13 с насосом 14 подачи воды. Форсунки 8 и 9 связаны с соответствующими патрубками 11, 13 через механизм 15 регулирования подачи воды и топлива. При этом патрубки 13 снабжены краном 16 для закрытия воды перед запуском двигателя. Впускные окна 17 связаны патрубком 18 с нагнетателем воздуха 19, установленным на коленчатом валу 6 для продувки цилиндров 1. Выпускные клапаны 20 размещены в верхней части цилиндров. Патрубки 21 для выхлопных газов проходят через головки цилиндров 7 и охватываются кожухом 22.

В устройство также входит двигатель внешнего подвода тепла (ДВПТ), который содержит цилиндры 23, в каждом из которых установлен поршень 24, разделяющий объем цилиндров на горячую А и холодную Б полости. Поршни 24 связаны с коленчатым валом 6 штоками 25 и шатунами 26. Кривошипы 27 коленчатого вала 6, связанные с поршнями 24 ДВПТ, смещены относительно кривошипов 28 коленчатого вала для ДВС на 45^o, а между собой на 180^o.

Холодные полости Б, образованные в подпоршневых пространствах цилиндров 2, 3 связаны между собой через охлаждающее устройство 29. Горячие полости А, образованные в надпоршневых пространствах цилиндров 23, соединены трубопроводом 31 через выпускные клапаны 30 и охлаждающее устройство 29, в котором установлен клапан 32, с рубашками охлаждения 2 цилиндров 1 ДВС, а через впускные клапаны 33 трубопроводом 34 соединены с коллектором рабочего тела 35, в котором установлен обратный клапан 36.

Коллектор рабочего тела размещен в потоке выхлопных газов патрубка 21, а через клапан 36 и кожух 22 связан с пространством В вокруг корпуса камеры сгорания 10 внутри кожухов 7 головок цилиндров ДВС. Коллектор рабочего тела 35 через предохранительный клапан 37 и впускной клапан 38 соединен с резервной емкостью 39 рабочего тела, которая в свою очередь через выпускной и впускной клапаны 40, 41 соответственно связана с охлаждающим устройством 29.

Устройство содержит также распределительный вал (на чертеже не показан), регулирующий открывание клапанов ДВС и ДВПТ, а также поочередную подачу топлива и воды в цилиндры ДВС.

В предлагаемый двигатель входит также устройство очистки выхлопных газов, содержащее корпус 42 с входным 21 и выходным 43 трубопроводами, частично заполненный водой и разделенный перегородкой 44 на две секции I и II, которые сообщаются между собой через отверстия 45 в перегородке 44. В секции I размещены насос 46, соединенный с распылителем воды 47, и турбина 48, установленная на коленчатом валу 6. В верхней части секции II установлен каплеотделитель 49. В картере корпуса 42 размещен сеточный успокоитель 51. Корпус 42 также снабжен датчиком уровня жидкости 52 и электропневмоклапаном 53, через который он соединен с емкостью для воды 54. Картер 50 патрубком 55, в котором установлен фильтр 56, связан с насосом подачи воды 14.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

При подходе поршня 3 в верхнюю мертвую точку (в.м.т.) производится впрыск в камеру сгорания 10 топлива через форсунку 8. Под действием высокой температуры происходит сгорание топлива и начинается процесс расширения газов, т.е. осуществляется рабочий ход. В конце такта расширения после открытия поршнем впускных окон 17 происходит продувка цилиндра 1. Затем начинается процесс сжатия, что соответствует ходу поршня 3 от нижней мертвой точки (н. м. т. ) к в.м.т. В начале хода продолжается продувка и заполнение цилиндра свежим зарядом воздуха. С момента закрытия впускных окон 17 начинается процесс сжатия воздуха. В конце такта сжатия производится впрыск в раскаленную камеру сгорания 10 воды через форсунку. Подогретая выхлопными газами вода подается водяным насосом 14 из картера 50 устройства очистки выхлопных газов через фильтр 56 по трубопроводу 55. При этом кран 16 через некоторое время после запуска двигателя должен быть открыт. Под действием высокой температуры вода в камере сгорания испаряется, пар расширяется и совершает полезную работу, перемещая поршень в н.м.т. т.е. производится второй рабочий ход. При открытии выпускного клапана 20 водяной пар с отработавшими газами вытесняется из цилиндра. Затем при открытии впускных окон 17 остатки водяного пара и газов продуваются нагнетателем воздуха 19. Далее цикл повторяется.

Таким образом, в цилиндр поочередно впрыскивается топливо или вода.

В процессе сжатия через открывшийся выпускной клапан 20, патрубок 21 и коллектор рабочего тела 35, которому при этом отдается часть тепла, отработавшие газы и пар вытесняются из цилиндра 1 и поступают в устройство очистки выхлопных газов 41, где вращают турбину 48, взаимодействуют с водой, подаваемой насосом 46 через распылитель 47. По мере расходования вода в устройство подается из емкости 54 через электропневмоклапан 53 по сигналу датчика уровня жидкости 52.

Вследствие охлаждения газов водой и попадания их в большой объем секции I происходит снижение давления и температуры газов, которые затем переходят в секцию II через отверстия 45 в перегородке 44, проходят каплеотделитель 49 и выбрасываются в атмосферу.

Так как турбина 48 закреплена на коленчатом валу 6, то при вращении последнего она создает в устройстве разрежение и способствует вытяжке выхлопных газов.

При подходе поршня 24 ДВПТ к в.м.т открывается впускной клапан 33 и из коллектора рабочего тела 35 в цилиндр 23 поступает нагретое рабочее тело, давит на поршень и производит работу по перемещению поршня вниз, теряя при этом накопленную энергию и тепло. Когда поршень 24 ДВПТ достигает н.м.т. и заканчивается процесс расширения в зоне А, клапан 33 закрывается, а клапан 36 открывается, тогда в коллектор 35 начинает поступать нагретое рабочее тело.

Одновременно при движении поршня 24 вниз объем полости Б уменьшается и рабочее тело вытесняется через устройство охлаждения 29 в подпоршневое пространство Б второго цилиндра ДВПТ, в котором начинается процесс расширения, сопровождающийся движением поршня 24 вверх и вытеснением остывшего рабочего тела из надпоршневого пространства А. Отработавшее рабочее тело через открывшийся выпускной клапан 30 поступает в рубашку охлаждения 2 цилиндра 1 ДВС или непосредственно по трубопроводу 31 или через клапан 32 и охлаждающее устройство 29 в зависимости от давления в рубашке охлаждения 2.

В случае перегрева рабочего тела в коллекторе 35 срабатывает предохранительный клапан 37 и избыточная порция рабочего тела поступает в резервную емкость 39. Если же давление в резервной емкости 39 чрезмерно повысится, то она соединяется с устройством охлаждения 29 через клапаны 40 и 41.

При окончании работы двигателя и остывании рабочего тела в коллекторе 35 давление и температура рабочего тела и емкости 39 будет выше, рабочее тело через выпускной клапан 38 будет поступать в коллектор 35 до уравновешивания давления.

Как вариант, в случае перегрева рабочего тела в коллекторе 35 можно временно прекратить (автоматически по сигналу датчика в коллекторе 35 или по желанию водителя) подачу топлива и воды в ДВС до снижения температуры рабочего тела. В этом случае будет работать только ДВПТ.

При разработке настоящей заявки были проведены расчеты, результаты которых приведены на прилагаемых графиках.

На фиг. 2 показаны результаты расчета переходного процесса разогрева рабочего тела ДВПТ после запуска основного двигателя. Согласно графику время разогрева рабочего тела до установившейся температуры 850 870^oC составляет 200 секунд при предварительном подогреве и 250 секунд без предварительного подогрева.

Результаты расчетов на фиг. 3 показывают динамику рабочего процесса в цилиндре ДВПТ во время рабочего хода поршня при установившейся работе предлагаемого двигателя. Из расчета следует, что температура рабочего тела к концу рабочего хода снижается с 850 870^oC до примерно 580^oC, а давление снижается от 103 атмосфер до примерно 70 атмосфер.

Следует отметит, что температура рабочего тела в коллекторе и резервной емкости за время рабочего хода при установившемся режиме работы двигателя меняется незначительно, в основном на счет естественного рассеивания тепла.

Графики на фиг. 4 показывают, что наиболее эффективное приращение мощности может быть получено при числе цилиндров ДВС не менее двух и может достигать 37% как минимум.

Результаты расчетов на фиг. 5 показывают, что наиболее эффективное приращение мощности может быть получено при отношении объема цилиндров ДВПТ к объему цилиндров ДВС большем или равном 0,7. Расчеты проведены по программам на ПЭВМ IВМ РС/АТ-486.

Таким образом, предложенный двигатель позволит обеспечить использование тепла, выделяемого стенкой камеры сгорания, стенкой цилиндра и уносимого выхлопными газами, на нагрев рабочего тела, которое производит полезную работу в ДВПТ. В результате этого снижается расход топлива и повышается КПД двигателя.

В связи с тем, что предлагаемый ДВС работает при более высоких температурах в камере сгорания, улучшаются условия сгорания топлива.

Формула изобретения

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий по меньшей мере два цилиндра с рубашками охлаждения, кожухи головок цилиндров, поршни, размещенные в цилиндрах, коленчатый вал, связанный с поршнями кривошипно-шатунным механизмом, выхлопной коллектор, отличающийся тем, что он снабжен двухцилиндровым двигателем внешнего подвода тепла (ДВПТ), в каждом из цилиндров которого установлен поршень, связанный кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом и разделяющий объем цилиндра на холодную и горячую полости, коллектором рабочего тела, охлаждающим устройством, а выхлопной коллектор снабжен кожухом, при этом холодные полости соединены с охлаждающим устройством, горячие полости через выпускные клапаны патрубком соединены с рубашками охлаждения цилиндров ДВС, а через впускные клапаны с коллектором рабочего тела, который размещен в выхлопном коллекторе, причем выхлопной коллектор проходит через кожух головок цилиндров ДВС, кривошипы вала для ДВПТ смещены относительно кривошипов для ДВС на 45°, а между собой на 180°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5