Поршневой двухтактный двигатель с камерой сгорания, которая находится за пределом цилиндра и соединена с цилиндром через систему клапанов

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к поршневому двухтактному двигателю внутреннего сгорания. Поршневой двухтактный двигатель с камерой сгорания, которая находится за пределом объема цилиндра и соединена с цилиндром через систему клапанов, содержит поршень, цилиндр, форсунку, головку цилиндра, при этом он снабжен турбокомпрессором с резервуаром, камерой сгорания, которая находится за пределом цилиндра и выполнена с предкамерой и теплоизоляцией, устройством выпускного клапана воздуха от резервуара турбокомпрессора в цилиндр, устройством впускного клапана воздуха из цилиндра в камеру сгорания, устройством впускного клапана газа из камеры сгорания в цилиндр и устройством выпускного клапана отработанного газа. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя по теплу до 70% и мощности в 1,6 раза. 2 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности поршневому двухтактному двигателю внутреннего сгорания.

Для поршневого двухтактного двигателя с камерой сгорания, которая находится за пределами цилиндра и соединена цилиндром через систему клапанов, аналог - любой поршневой четырехтактный двигатель внутреннего сгорания.

Выбираем в качестве прототипа четырехтактный четырехцилиндровый дизельный двигатель А-41 Алтайского моторного завода.

Двухтактный поршневой двигатель с камерой сгорания, которая находится за пределами цилиндра и соединена цилиндром через систему клапанов, его конструктивный прототип - поршневой четырехтактный дизельный двигатель с выполнением конструктивных изменений и дополнений:

- устройство выпускного клапана отработанного газа /изменение конфигураций кулачка распределительного вала/;

- устройство впускного клапана газа из камеры сгорания в цилиндр /изменение конфигураций кулачка распределительного вала, выполнение газопровода от камеры сгорания в цилиндр/;

- устройство впускного клапана воздуха в камеру сгорания из цилиндра /установка на головке цилиндра клапана, аналог - клапан поршневого компрессора, выполнение воздухопровода от цилиндра до камеры сгорания/;

- устройство впускного клапана воздуха в цилиндр из резервуара турбокомпрессора /установка на головке цилиндра клапана, аналог - клапан поршневого компрессора, выполнение воздухопровода от резервуара турбокомпрессора до цилиндра/;

- установка коленчатого вала для двухтактного двигателя;

- устройство картера шестерен распределения для двухтактного двигателя /замена шестерен/;

- установка турбокомпрессора с резервуаром;

- установка камеры сгорания, которая находится за пределами цилиндра /камера сгорания имеет цилиндрическую форму без фланцевых разъемов вдоль образующей, изготавляется из жаропрочного материала и состоит: из корпуса, камеры сгорания, предкамеры в виде усеченного конуса, вершина которого направлена в камеру сгорания, горелочного устройства с форсункой в предкамере, теплоизоляционного слоя между стенкой камеры сгорания и корпусом;

- устройство головки поршня с увеличенной рабочей площадью (головка поршня с волнообразной рабочей площадью или другой конфигурацией рабочей площади).

Технической задачей является повышение мощности двигателя в 1,6 раза по отношению к двигателю-прототипу.

Повышение КПД до 70% и более по теплу за счет эффективного использования работы тепла (газа) в двигателе:

- уменьшение потерь тепла с отходящим газом (понижение температуры выхлопного газа);

- уменьшение потерь тепла на охлаждение, нагрев двигателя (понижение температуры в цилиндре двигателя);

- повторного использования неотработанного тепла (газа) в камере сгорания;

- более полное сгорание топлива, так как при работе двигателя минимальная температура стенок камеры сгорания около 300°С (в традиционном двигателе максимальная температура стенок камеры сгорания и сжатия не более 100°С, из-за низкой температуры около стенок камеры сгорания и сжатия происходит затухание реакций горения или неполное сгорание топлива);

- получаем дополнительную мощность и КПД двигателя к мощности и КПД двигателя по теплу за счет увеличения рабочей площади головки поршня прямо пропорционально повысится мощность и КПД двигателя (т.к. камера сгорания находится за пределом цилиндра, это дает возможность максимально увеличить рабочую площадь головки поршня).

Поставленная задача достигается за счет того, что поршневой двухтактный двигатель с камерой сгорания, которая находится за пределом объема цилиндра и соединена с цилиндром через систему клапанов, содержит поршень, цилиндр, форсунку, головку цилиндра, при этом он снабжен турбокомпрессором с резервуаром, камерой сгорания, которая находится за пределом цилиндра и выполнена с предкамерой и теплоизоляцией, устройством выпускного клапана воздуха от резервуара турбокомпрессора в цилиндр, устройством впускного клапана воздуха из цилиндра в камеру сгорания, устройством впускного клапана газа из камеры сгорания в цилиндр и устройством выпускного клапана отработанного газа.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на

фиг.1 изображена головка поршня с увеличенной рабочей площадью;

фиг.2 - схема работы одного цилиндра поршневого двухтактного двигателя с камерой сгорания, которая находится за пределами цилиндра и соединена с цилиндром через систему клапанов.

Поршневой двухтактный двигатель содержит:

цилиндр 1,

поршень 2,

выпускной клапан отработанного газа 3,

впускной клапан 4 из цилиндра в камеру сгорания,

впускной клапан 5 из камеры сгорания в цилиндр,

впускной клапан 6 от турбокомпрессора в цилиндр,

форсунку 7,

камеру сгорания 8,

предкамеру 9, зону смесеобразования и начала реакций горения,

зону реакций горения в камере сгорания 10,

теплоизоляцию 11,

наружный корпус 12.

Осуществление изобретения.

В зависимости от конструктивного исполнения двигателя и места расположения камеры сгорания разрабатывается ее конструктивная форма.

Камера сгорания может работать на один или несколько цилиндров в зависимости от ее объема.

В объем камеры сгорания включаем:

- камеру сгорания;

- газопровод от камеры сгорания до впускного клапана газа из камеры сгорания в цилиндр;

- воздухопровод от впускного клапана воздуха из цилиндра до камеры сгорания.

Постоянные параметры для первичного расчета работы двигателя:

- объем камеры сгорания составляет 0,35% от рабочего объема цилиндра;

- при повороте коленчатого вала от НМТ выпускной клапан отработанного газа закрывается в точке 120°;

- при повороте коленчатого вала от ВМТ впускной клапан газа из камеры сгорания в цилиндр закрывается в точке 40°;

- объем воздуха, который остается в цилиндре, в точке закрытия выпускного клапана равен общему объему цилиндра.

Производим первичный расчет работы двигателя и составляем таблицы работы газа в цилиндре.

Определяем необходимые параметры работы газа в цилиндре двигателя:

- мощность;

- максимальное давление в цилиндре;

- температуру отходящего газа /согласно климатическим условиям работы двигателя/.

Производим коррекцию расчетов и таблиц согласно с необходимыми заданными параметрами работы газа в цилиндре двигателя:

- при раннем закрытии выпускного клапана 3 от первоначальной точки получаем повышение температуры выхлопного газа;

- при позднем закрытии выпускного клапана 3 от первоначальной точки получаем понижение температуры выхлопного газа;

- при раннем закрытии впускного клапана 5 от первоначальной точки получаем увеличение давления, повышение максимальной температуры в камере сгорания и цилиндре;

- при позднем закрытии впускного клапана 5 от первоначальной точки получаем уменьшение давления, понижение максимальной температуры в камере сгорания и цилиндре;

- при увеличении объема камеры сгорания от первоначального объема получаем уменьшение давления, понижение максимальной температуры, увеличение рабочего объема газа в камере сгорания;

- при уменьшении объема камеры сгорания от первоначального объема получаем увеличение давления, повышение максимальной температуры, уменьшение рабочего объема газа в камере сгорания;

- при увеличении потребляемого объема воздуха от первоначального объема получаем увеличение давления, понижение максимальной температуры, увеличение рабочего объема газа в камере сгорания и цилиндре;

- при уменьшении потребляемого объема воздуха от первоначального объема получаем уменьшение давления, повышение максимальной температуры, уменьшение рабочего объема газа в камере сгорания и цилиндре.

Работа

Камера сгорания, которая находится за пределом цилиндра и соединена цилиндром через систему клапанов, предназначена для периодического сжигания топлива в периодическом потоке воздуха.

Совершаемые работы в поршневом двухтактном двигателе с камерой сгорания, которая находится за пределами цилиндра и соединена с цилиндром через систему клапанов. В этом двигателе при движении поршня совершается шесть циклов работ.

Первый такт

1. Первый цикл работы /положение 1/ - происходит сгорание топлива при одновременно совмещенном расширении газа в камере сгорания и в цилиндре, открытом впускном клапане 5 и движении поршня от ВМТ к НМТ при постоянном давлении и постоянном объеме работы газа. В определенной заданной точке закрывается клапан 5 и прекращается поступление газа из камеры сгорания в цилиндр. При закрытом выпускном клапане 5 та часть неотработанного газа /тепла/, оставшегося в камере сгорания, используется в следующем цикле работы (фиг.2).

Повторное использование неотработанного газа /тепла/ составляет основу высокой экономической эффективности работы двигателя.

2. Второй цикл работы /положение 2/ - происходит расширение газа в цилиндре при закрытых клапанах и движении поршня к НМТ (фиг.2).

3. Третий цикл работы /положение 3/ - при движении поршня к НМТ происходит падение давления газа в цилиндре в определенной точке за счет незначительного превышения давления воздуха в резервуаре турбокомпрессора, чем в цилиндре, автоматически открывается клапан 6 и в цилиндр под давлением поступает воздух, начинается дополнительная доработка тепла. В заданной точке открывается выпускной клапан 3, начинается вытеснение воздухом продуктов сгорания /отработанного газа/ из цилиндра (фиг.2).

Второй такт

4. Четвертый цикл работы /положение 4/ - происходит продувка цилиндра сжатым воздухом при движении поршня от НМТ к ВМТ.

При открытом впускном клапане 6 из резервуара турбокомпрессора сжатым воздухом через открытый выпускной клапан 3 из цилиндра вытесняется продукт сгорания /отработанный газ/. В определенной расчетной точке закрывается выпускной клапан 3 и прекращается продувка цилиндра (фиг.2).

5. Пятый цикл работы /положение 5/ - происходит сжатие в цилиндре при закрытых клапанах и постоянном объеме воздуха. При движении поршня к ВМТ и закрытом выпускном клапане 3 автоматически закрывается впускной клапан 6 за счет незначительного превышения давления в цилиндре над давлением в резервуаре турбокомпрессора.

Давление воздуха, поступающего из резервуара турбокомпрессора, должно соответствовать расчетному давлению в точке закрытия выпускного клапана 3 (фиг.2).

6. Шестой цикл работы /положение 6/ - происходит одновременное совмещенное сжатие в камере сгорания и цилиндре при движении поршня к ВМТ, за счет незначительного превышения давления воздуха в цилиндре над давлением газа в камере сгорания автоматически открывается впускной клапан 4.

В начале одновременного совмещенного сжатия воздухом вытесняется из предкамеры 9 продукт сгорания. При полном заполнении воздухом предкамеры 9 через форсунку 7 в предкамеру подается топливо, происходит смесеобразование и начало реакции горения.

В определенной заданной точке открывается впускной клапан 5 и газ поступает в цилиндр двигателя (фиг.2).

Поршневой двухтактный двигатель с камерой сгорания, которая находится за пределом объема цилиндра и соединена с цилиндром через систему клапанов, содержащий поршень, цилиндр, форсунку, головку цилиндра, отличающийся тем, что он снабжен турбокомпрессором с резервуаром, камерой сгорания, которая находится за пределом цилиндра и выполнена с предкамерой и теплоизоляцией, устройством выпускного клапана воздуха от резервуара турбокомпрессора в цилиндр, устройством впускного клапана воздуха из цилиндра в камеру сгорания, устройством впускного клапана газа из камеры сгорания в цилиндр и устройством выпускного клапана отработанного газа.