Двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к области энергомашиностроения, в частности к двигателестроению, и позволяет повысить эффективность и экологичность ДВС. ДВС содержит не менее трех рабочих цилиндров, заполненных жидкостью, нижняя часть которых сообщена с гидравлическим приводом выходного вала в виде гидротурбины и маховиком. Каждый цилиндр снабжен компрессионной камерой и соединен двумя различными магистралями: энергообразующей и сливной - с пополнительной емкостью, размещенной после гидротурбины. Компрессионные камеры в нижней части соединены с цилиндрами по типу сообщающихся сосудов и с пополнительной емкостью через магистраль сжатия, в которой смонтирован гидронасос на выходном валу гидротурбины и установлен насос со стартером. Компрессионные камеры в верхней части дополнительно соединены с цилиндрами патрубками подачи горючей смеси. Цилиндры и компрессионные камеры теплоизолированы изнутри и оборудованы поплавками с теплоизолированной поверхностью, которые установлены на штоках с зазорами. Теплоизоляция цилиндров, камер и поплавков содержит соприкасающийся с рабочими средами слой материала с низкой теплоемкостью. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к теплотехнике, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с гидравлическим приводом выходного вала, и может быть использовано в энергетике для выработки электроэнергии и тепла, а также в транспортном машиностроении.

Известны ДВС с гидравлическим приводом выходного вала, содержащие по меньшей мере два рабочих цилиндра, частично заполненных жидкостью, систему питания, зажигания и газообмена, в которых гидравлический привод выходного вала выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма или в виде гидротурбины [см. , например, патент Великобритании 1380739, МКИ F 02 B 75/32, 1975 г., патент РФ 2006622, МКИ F 02 B 71/04, 1994 г.].

Известные ДВС имеют следующие недостатки: - невысокий КПД (35-38%), обусловленный потерями на преодоление трения, потерями тепла на охлаждение воды и с выхлопными газами; - высокие затраты на эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт; - ограниченную экономичность (КПД), обусловленную неполным сгоранием топлива; - низкий моторесурс.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочие цилиндры, заполненные жидкостью с системами зажигания и сброса отработанных газов, нижняя часть которых сообщена с гидравлическим приводом выходного вала в виде гидротурбины и маховиком, имеющий также систему питания в виде пневмомагистрали с нагнетателем воздуха и дозаторами топлива, причем в качестве нагнетателя воздуха установлен ресивер, количество рабочих цилиндров не менее двух и каждый из них соединен индивидуальными патрубками как со входом, так и с выходом гидротурбины [см. п. РФ 2042844, МКИ F 02 B 71/04, опубл. 27.08.95 г., б. 24].

Недостатки прототипа заключаются в: - невысоком КПД (40-43%), обусловленном потерями на преодоление трения в ресивере, потерями тепла на охлаждение воды и с выхлопными газами; наличием "мертвого пространства" в рабочих цилиндрах и ограниченной степенью сжатия (ε= 7÷10) ДВС, работающего по типу карбюраторного двигателя - с подводом теплоты при постоянном объеме; - высокой материалоемкости (повышенная толщина стенок) из-за необходимости увеличения механической прочности двигателя, испытывающего резкие скачки давления.

Примечание: "мертвое пространство" - такой объем рабочего цилиндра, из которого невозможно удалить продукты сгорания, разбавляющие свежую порцию горючей смеси и снижающие эффективность горения.

Задачей настоящего изобретения является повышение КПД двигателя внутреннего сгорания за счет осуществления процесса подвода теплоты при постоянном давлении и снижения теплопотерь.

Поставленная задача решается тем, что в известном двигателе внутреннего сгорания, содержащем рабочие цилиндры, заполненные жидкостью, с системами зажигания и сброса отработанных газов, нижняя часть которых сообщена с гидравлическим приводом выходного вала в виде гидротурбины и маховиком, имеющий также систему питания в виде пневмомагистрали с нагнетателем воздуха и дозаторами топлива, согласно изобретению, он содержит не менее трех рабочих цилиндров, каждый из которых снабжен компрессионной камерой и соединен двумя различными магистралями - энергообразующей и сливной - с пополнительной емкостью, размещенной после гидротурбины; компрессионные камеры в нижней части соединены с рабочими цилиндрами по типу сообщающихся сосудов и с пополнительной емкостью через магистраль сжатия, в которой смонтирован гидронасос на выходном валу гидротурбины и установлен насос со стартером, а в верхней части компрессионные камеры дополнительно соединены с рабочими цилиндрами патрубками подачи горючей смеси, причем система питания с нагнетателем воздуха - вентилятором присоединена к верхней части компрессионных камер; рабочие цилиндры и компрессионные камеры теплоизолированы изнутри и оборудованы поплавками с теплоизолированной поверхностью, установленными на штоках с зазорами.

В двигателе внутреннего сгорания, согласно изобретению, количество рабочих цилиндров равно 3n, где n=1÷10.

В двигателе внутреннего сгорания, согласно изобретению, теплоизоляция рабочих цилиндров, компрессионных камер и поплавков содержит соприкасающийся с рабочими средами слой материала с низкой теплоемкостью.

В двигателе внутреннего сгорания, согласно изобретению, каждая система зажигания рабочих цилиндров защищена уплотнительной парой, образованной углублениями на их внутренней поверхности и выступами на поплавках.

Предлагаемая конструкция ДВС обеспечивает возможность проведения процесса горения по типу дизельного двигателя при постоянном давлении за счет постепенного подвода горючей смеси в рабочие цилиндры путем ее барботажа через слой жидкости, что позволяет увеличить степень ее сжатия и приводит к повышению КПД. Кроме того, увеличение КПД достигается и снижением теплопотерь за счет эффективной теплоизоляции стенок оборудования и зеркала жидкости.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение неизвестно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Сущность заявленного изобретения для специалиста не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Возможность изготовления двигателя внутреннего сгорания из преимущественно серийно выпускаемых деталей и приспособлений свидетельствует о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

На чертежах схематично представлен заявленный двигатель внутреннего сгорания, где на фиг.1 - общий вид двигателя внутреннего сгорания; на фиг.2 - фрагмент детальной схемы соединения рабочих цилиндров и компрессионных камер.

Обозначения на фигурах: 1 - рабочие цилиндры 2 - системы зажигания (свечи)
3 - система сброса отработанных газов
4 - выходной вал гидротурбины
5 - гидротурбина
6 - маховик
7 - система питания (пневмомагистраль)
8 - нагнетатель воздуха (вентилятор)
9 - дозаторы топлива
10 - компрессионные камеры
11 - каналы перетока жидкости
12 - энергообразующая магистраль
13 - сливная магистраль
14 - сливные патрубки
15 - пополнительная емкость
16 - магистраль сжатия
17 - гидронасос
18 - патрубки подачи горючей смеси
19 - поплавки
20 - штоки
21 - электрогенератор
22 - насос со стартером
23, 24 - задвижки
25 - выпускные клапаны жидкости рабочих цилиндров
26 - впускные клапаны системы питания
27 - выпускные клапаны системы сброса отработанных газов
28 - клапаны впуска-выпуска компрессионных камер
29, 30 - клапаны перетока жидкости
31, 32 - выпускные клапаны сливной системы рабочих цилиндров
33 - клапаны подачи горючей смеси из компрессионных камер в рабочие цилиндры.

Заявленный двигатель внутреннего сгорания состоит из рабочих цилиндров 1, заполненных жидкостью, число которых не менее трех или может быть равно 3n (где n=1÷10, причем число n может быть неограниченно, а n=10 выбрано из экономической целесообразности). Рабочие цилиндры 1 снабжены компрессионными камерами 10, с которыми в нижней части соединены по типу сообщающихся сосудов через каналы перетока жидкости 11, а в верхней - патрубками подачи горючей смеси 18. Рабочие цилиндры 1 соединены также с пополнительной емкостью 15 двумя различными магистралями: энергообразующей 12 и сливной 13 через сливные патрубки 14. Нижняя часть рабочих цилиндров 1 сообщена с гидравлическим приводом выходного вала 4 гидротурбины 5, которые размещены в энергообразующей магистрали 12. На валу 4 размещен также маховик 6. Компрессионные камеры 10 соединены с пополнительной емкостью 15 через магистраль сжатия 16, в которой смонтирован гидронасос 17 на выходном валу 4 гидротурбины 5 и установлен насос со стартером 22. На выходном валу гидротурбины 5 установлен, например, электрогенератор 21 (или другой преобразователь энергии). Системы зажигания 2 (свечи) смонтированы в верхней части рабочих цилиндров 1. Система питания 7 в виде пневмомагистрали с нагнетателем воздуха - вентилятором 8 и дозаторами топлива 9 соединена с верхней частью компрессионных камер 10. Рабочие цилиндры 1 и компрессионные камеры 10 оборудованы поплавками 19, установленными с зазорами относительно поверхностей цилиндров 1 и камер 10, на штоках 20. Рабочие цилиндры 1, компрессионные камеры 10 и поплавки 19 теплоизолированы, причем теплоизоляция (слой термостойкого бетона толщиной 0,005 м или кварцевого песка фракции 0,0005 м) содержит соприкасающийся с рабочими средами слой материала с низкой теплоемкостью (например, слой нержавеющей стали толщиной 0,001 м). Каждая система зажигания 2 рабочих цилиндров 1 защищена уплотнительной парой, образованной углублениями на внутренней поверхности цилиндров 1 и выступами на поплавках 19.

Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Каждая система ДВС (рабочий цилиндр + компрессионная камера) во время работы проходит последовательно три такта: рабочий ход, сжатие, впуск-выпуск.

Рабочий ход - из компрессионной камеры подготовленная горючая смесь постепенно поступает в рабочий цилиндр, барботируя через слой жидкости, воспламеняется и горит при сохранении давления постоянным. Одновременно жидкость выдавливается на гидротурбину, приводя ее в движение.

Впуск-выпуск - в компрессионную камеру подается свежая порция горючей смеси, выдавливающая жидкость в рабочий цилиндр, из которого одновременно выпускаются отработанные газы, т.е. процессы впуска-выпуска проходят в разных объемах, что позволяет ликвидировать "мертвое пространство".

Сжатие - гидронасос нагнетает жидкость в компрессионную камеру, в которой происходит сжатие горючей смеси под действием этой жидкости (ε=15).

При этом возникают следующие ситуации.

1. Первая система - рабочий ход, вторая система - сжатие; третья система - впуск-выпуск.

2. Первая система - впуск-выпуск; вторая система - рабочий ход, третья система - сжатие.

3. Первая система - сжатие, вторая система - впуск-выпуск, третья система - рабочий ход.

Пример. Работа двигателя внутреннего сгорания на природном газе. Запуск двигателя внутреннего сгорания осуществляли следующим образом.

По датчикам уровня жидкости (не показаны) устанавливали высоту столба жидкости во всех компрессионных камерах 10 - на верхнем уровне (без наличия "мертвого пространства"), а во всех рабочих цилиндрах 1 - на нижнем уровне.

Задвижку 23 закрывали, включали насос со стартером 22, открывали задвижку 24 и запускали вентилятор 8. Запуск производили сначала рабочему цилиндру 1 первой рабочей системы (на фиг.1 левая система). В ручном режиме управления производили такт "впуск-выпуск" (см. описание ниже). Далее двигатель переводили в автоматический режим и начинали осуществлять рабочие такты.

Во время такта "впуск-выпуск" с помощью вентилятора 8 по пневмомагистрали 7 подавали сжатый воздух под давлением 2 кПа в компрессионную камеру 10 (объем камеры 0,06 куб. м, диаметр 0,6 м) через впускной клапан 26, куда одновременно из дозатора топлива 9 подводили в стехиометрическом соотношении природный газ. При этом клапаны 25, 28, 31, 32 и 33 закрыты, а клапаны 26, 27, 29 и 30 - открыты. Компрессионную камеру 10 заполняли горючей смесью на глубину 0,2 м. Система двигателя "рабочий цилиндр 1 + компрессионная камера 10" в этот момент представляла собой сообщающиеся сосуды с уравновешенным давлением. Отработанные газы из рабочего цилиндра 1 через выпускной клапан 27 сбрасывали в систему 3.

Такт "сжатие" осуществляли в компрессионной камере 10 путем подачи жидкости из пополнительной емкости 15 с помощью гидронасоса 17 через открытые задвижку 23 и клапан 28. При этом все остальные клапаны - 25, 26, 27, 29, 30, 31, 32 и 33 были закрыты. Давление горючей смеси составляло 4,4 мПа, равное давлению, развиваемому гидронасосом 17, а степень сжатия ε=15.

Такт "рабочий ход" начинали после открытия клапанов 33, 31 и 32. При этом сжатая газовая горючая смесь из компрессионной камеры 10 через клапан 33 поступала в рабочий цилиндр 1 (объем цилиндра 0,06 куб.м, диаметр 0,6 м), барботируя через слой жидкости в нем и вытесняя последнюю в пополнительную емкость 15 через открытые клапаны 31, 32 и магистраль 13. Во время заполнения рабочего цилиндра 1 горючей газовой смесью поступал электроимпульс на свечу 2, воспламеняя горючую смесь. Одновременно автоматические клапаны 28, 31, 32 и 33 закрывались, а клапан 25 открывался. Во время горения горючей смеси в рабочем цилиндре 1 происходило вытеснение жидкости через клапан 25 в энергообразующую магистраль 12 на лопатки гидротурбины 5, приводя во вращение маховик 6 и электрогенератор 21. Барботаж пузырьков сжатой горючей смеси растягивал во времени процесс горения и позволял осуществить подвод теплоты при приблизительно постоянном давлении, т.е. по типу дизельного двигателя.

По завершении такта "рабочий ход" вновь начинался такт "впуск-выпуск".

Работой задвижек, клапанов и других рабочих органов управляла автоматизированная система по заданному алгоритму.

Использование заявленного двигателя внутреннего сгорания по сравнению с известным ДВС, взятым за прототип [см. п. РФ 2042844, МКИ F 02 B 71/04, опубл. 27.08.95 г., б. 24], обеспечивает следующие технические и общественно-полезные преимущества:
- повышение КПД до 59 - 68% за счет: исключения "мертвого пространства" (3-6%); снижения теплопотерь (10-12%); осуществления подвода теплоты при постоянном давлении (6-8%);
- снижение материалоемкости;
- создание ДВС широкого мощностного диапазона;
- повышение экологичности за счет обеспечения полноты сгорания горючей смеси.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочие цилиндры, заполненные жидкостью, с системами зажигания и сброса отработанных газов, нижняя часть которых сообщена с гидравлическим приводом выходного вала в виде гидротурбины и маховиком, имеющий также систему питания в виде пневмомагистрали с нагнетателем воздуха и дозаторами топлива, отличающийся тем, что он содержит не менее трех рабочих цилиндров, каждый из которых снабжен компрессионной камерой и соединен двумя различными магистралями - энергообразующей и сливной - с пополнительной емкостью, размещенной после гидротурбины; компрессионные камеры в нижней части соединены с рабочими цилиндрами по типу сообщающихся сосудов и с пополнительной емкостью через магистраль сжатия, в которой смонтирован гидронасос на выходном валу гидротурбины и установлен насос со стартером, а в верхней части компрессионные камеры дополнительно соединены с рабочими цилиндрами патрубками подачи горючей смеси, причем система питания с нагнетателем воздуха - вентилятором присоединена к верхней части компрессионных камер; рабочие цилиндры и компрессионные камеры теплоизолированы изнутри и оборудованы поплавками с теплоизолированной поверхностью, установленными на штоках с зазорами.

2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что количество рабочих цилиндров равно 3n, где n=1-10.

3. Двигатель внутреннего сгорания по пп.1 и 2, отличающийся тем, что теплоизоляция рабочих цилиндров, компрессионных камер и поплавков содержит соприкасающийся с рабочими средами слой материала с низкой теплоемкостью.

4. Двигатель внутреннего сгорания по пп.1-3, отличающийся тем, что каждая система зажигания рабочих цилиндров защищена уплотнительной парой, образованной углублениями на их внутренней поверхности и выступами на поплавках.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2