Двухтактный двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания (варианты)

Группа изобретений относится к двигателестроению. Техническим результатом является увеличение мощности и улучшение экологических показателей двухтактного двигателя за счет организации интенсивного смесеобразования и увеличения продолжительности сгорания. Двигатель совмещает в себе элементы двигателей внутреннего сгорания и внешнего сгорания. Расширение газов происходит за счет энергии сгорания топливовоздушной смеси, а также за счет рекуперации тепловой энергии выхлопных газов, благодаря чему уменьшается расход топлива. Сущность изобретений заключается в том, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий и компрессорный цилиндры, соединительный канал между цилиндрами, внешнюю камеру сгорания и регенератор. Согласно изобретению внешняя камера сгорания и выпускная часть соединительного канала расположены в регенераторе. При этом внешняя камера сгорания размещена в середине соединительного канала, разделяя его на впускную и выпускную части, соединительный канал соединен впускной частью с компрессорным цилиндром, а выпускной частью – с рабочим. Соединительный канал имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область применения

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двухтактным двигателям внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания, совмещающих в себе элементы двигателей внутреннего сгорания и внешнего сгорания или двигателя Стирлинга.

Уровень техники

Известен двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела, с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла. Одной из разновидностей является α-Стирлинг, который содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один – горячий, другой – холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном. У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной. К основным недостаткам двигателя Стирлинга можно отнести следующее:

- громоздкость и материалоёмкость. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массогабаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов;

- для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и особые виды рабочего тела - водород, гелий (Двигатель Стирлинга.

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0, опубликовано 12.02.2007 [1].

Также известны разновидности двухтактных двигателей. Рабочий цикл двухтактного двигателя происходит за один оборот коленчатого вала, что позволяет снимать в 1,5-1,7 раза большую мощность с того же рабочего объёма при тех же оборотах двигателя, чем у четырехтактного двигателя (см. Двухтактный двигатель. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D1%83%D1%85%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C; опубликовано 13 августа 2007 г.) [2].

За счёт вдвое меньшего количества нерабочих ходов поршня в каждом рабочем цикле вдвое уменьшаются потери на трение. Однако из-за некоторых недостатков, присущих двухтактным двигателям, их применение ограничено (см. отличия двухтактного двигателя от четырехтактного http://tool-land.ru/rabota-chetyrekhtaktnogo-dvigatelya-i-dvukhtaktnogo.php; опубликовано 22 ноября 2012 г.)[3].

Известен двигатель Скудери, в котором цилиндры разделены на основные и вспомогательные. Вспомогательные цилиндры, в которых поршень сжимает воздух, соединяются с основными через перепускные каналы. В каждом из каналов находится по два клапана — компрессионный и расширительный. В пространстве между ними воздух достигает максимального уровня сжатия. Впрыск топлива в камеру сгорания рабочего цилиндра происходит одновременно с открытием расширительного клапана, а зажигание — после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Волна газов как бы догоняет его, исключая детонацию смеси (см. интернет ресурс: https://www.popmech.ru/vehicles/11471-dvigateli-originalnye-i-udivitelnye-sgoranie/#part0; опубликовано 29 августа 2014 г.) [4].

Известен двигатель Zajac Motors в котором сжатие воздушного заряда производится в одном цилиндре, а расширение – в другом (см. интернет ресурс: https://www.greentechmedia.com/articles/read/improving-the-internal-combustion-engine-zajac-motors#gs.9yen8o, рис. 2.4. Опубликовано 16 ноября 2016 г.) [5]. Двигатель оснащен внешней камерой сгорания, работающей по принципу, названному разработчиками «горячая стенка», в которую поступают топливо и воздух, сжатый в первом цилиндре. Конструкция двигателя предусматривает использование клапанов газораспределения вращающегося типа.

Также известен поршневой двигатель с внешней камерой сгорания по патенту №2398118, который содержит внешнюю камеру сгорания с форсункой и свечой зажигания. Двигатель состоит из двух цилиндров в первом происходят такты впуска и подачи сжатого воздуха в камеру сгорания. После воспламенения топливовоздушная смесь подается в рабочий цилиндр (Патент РФ №2398118 Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания. з.№.2009115044. Опубликовано: 27.08.2010) [6].

Характерной чертой всех указанных типов двигателей является то, что сжатие осуществляется поршнем вспомогательного цилиндра, а камера сгорания отделена от рабочего цилиндра клапаном. По причине обеспечения сжатия поршнем вспомогательного цилиндра требуется установка мощного, а следовательно прочного и тяжелого второго цилиндра с поршнем, который выполняет роль поршневого компрессора. Требование к мощности второго цилиндра, с учетом возвратно-поступательного движения поршня в количестве нескольких тысяч раз в минуту, приводит к значительному расходу энергии (О ДВС, его резервах и перспективах развития глазами специалиста. см. http://rtc-ec.ru/notes/o_dvs.html. Опубликовано 24

января 2012 г.) [7]. Также наличие клапанов перед и после камеры сгорания замедляет движение газов, их открытие и закрытие также приводит к расходу энергии.

Исходя из уровня техники, существует потребность в двухтактных двигателях внутреннего сгорания с элементами двигателя внешнего сгорания, которые позволяют повторно использовать тепловую энергию выхлопных газов для расширения газов внутри камеры сгорания. Также, есть потребность в двигателях с улучшенным смесеобразованием, обеспечивающими более полное сгорание топливовоздушной смеси в камере сгорания за счет оптимизации форм камеры сгорания и рабочего цилиндра и метода их соединения.

Технической проблемой заявленного изобретения является интенсификация процесса горения, повышение полноты сгорания и увеличение мощности двухтактного двигателя внутреннего сгорания

Техническим результатом является создание двухтактного двигателя внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания, рекуперирующего тепловую энергию выхлопных газов по принципу двигателей внешнего сгорания, обладающего высокими эксплуатационными свойствами, заключающимися в увеличении мощности и улучшении экологических показателей двигателя.

Наиболее близким аналогом является двигатель α-Стирлинг [1].

Заявляемый двигатель предполагает перевод двигателя альфа-Стирлинга с замкнутого цикла движения газов на открытый, т.е. холодный воздух будет забираться из атмосферы, после рабочего такта выходить обратно в атмосферу, данный цикл устраняет необходимость в охлаждении рабочего тела. Также предлагается размещение камеры сгорания внутри регенератора тепловой энергии. Регенератор расположен вдоль выхлопного коллектора и служит внешним источником тепла для расширения рабочих газов. Установка камеры внутреннего сгорания ускоряет расширение газов и рост давления благодаря воспламенению топливовоздушной смеси в замкнутом пространстве. Камера сгорания отделена от рабочего цилиндра: они соединены непосредственно соединительным каналом. При данной схеме нагнетатель воздуха используется только для продувки камеры сгорания и рабочего цилиндра, поэтому уменьшается расход энергии, требуемый для подачи воздуха. Схема с внешней камерой сгорания и соединительным каналом позволяет увеличить траекторию движения и время сгорания топливовоздушной смеси при коротком двухтактном цикле, аналогично более долгому четырехтактному циклу. Соединительный канал имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения топливовоздушной смеси с целью лучшего перемешивания топлива с воздухом, образования гомогенной смеси, следовательно улучшения процесса сгорания.

Предложенный двигатель совмещает в себе признаки двигателя внутреннего и внешнего сгорания. Рабочее тело согревается и расширяется за счет энергии, генерируемой внутри и вне камеры сгорания.

Сущность изобретения

Заявляемый технический результат достигается тем, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания по варианту 1, содержащему блок цилиндров, рабочий цилиндр, вспомогательный цилиндр выполняющий функцию компрессора, поршни рабочего и вспомогательного цилиндров соединенные с коленчатым валом, впускной коллектор, впускной клапан, соединительный канал между вспомогательным и рабочим цилиндром, внешнюю камеру сгорания, клапан камеры сгорания, регенератор, выпускной коллектор, выпускной клапан, инжектор, свечу зажигания, согласно изобретению внешняя камера сгорания и выпускная часть соединительного канала расположены в регенераторе , при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом клапан камеры сгорания является выпускным клапаном вспомогательного цилиндра, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом внешняя камера сгорания размещена в середине соединительного канала, разделяя его на впускную и выпускную части, при этом соединительный канал соединен впускной частью с вспомогательным цилиндром, а выпускной частью соединен с рабочим цилиндром, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в двухтактном двигателе внутреннего сгорания по варианту 2, содержащему блок цилиндров, рабочий цилиндр, поршень рабочего цилиндра, соединенный с коленчатым валом, соединительный канал, внешнюю камеру сгорания, клапан камеры сгорания, регенератор, выпускной коллектор, выпускной клапан, инжектор, свечу зажигания, нагнетатель воздуха, согласно изобретению внешняя камера сгорания и выпускная часть соединительного канала расположены в регенераторе, при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом клапан камеры сгорания является выпускным клапаном нагнетателя воздуха, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом внешняя камера сгорания размещена в середине соединительного канала, разделяя его на впускную и выпускную части, при этом соединительный канал соединен впускной частью с нагнетателем воздуха, а выпускной частью соединен с рабочим цилиндром, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов.

Раскрытие изобретения

Изобретение поясняется чертежами и описанием к ним.

Фигура 1. Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания по варианту 1.

Фигура 2. Схема двухтактного двигателя внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания по варианту 2.

Перечень позиций для фиг. 1.

1 блок цилиндров;
2 рабочий цилиндр;
3 вспомогательный цилиндр;
4 поршень рабочего цилиндра;
5 поршень вспомогательного цилиндра;
6 впускной коллектор;
7 впускной клапан;
8 соединительный канал;
9 клапан камеры сгорания;
10 внешняя камера сгорания;
11 регенератор;
12 выпускной коллектор;
13 выпускной клапан;
14 инжектор;
15 свеча зажигания;
16 винтовые канавки;
17 коленчатый вал.

Перечень позиций для фиг. 2.

1 блок цилиндров;
2 рабочий цилиндр;
4 поршень рабочего цилиндра;
8 соединительный канал;
9 клапан камеры сгорания;
10 внешняя камера сгорания;
11 регенератор;
12 выпускной коллектор;
13 выпускной клапан;
14 инжектор;
15 свеча зажигания;
16 винтовые канавки;
17 коленчатый вал;
18 нагнетатель воздуха.

Осуществление изобретения.

Предлагаемый двухтактный двигатель по варианту 1 (фиг.1) состоит из блока цилиндров (1), в котором расположены рабочий цилиндр (2) с поршнем рабочего цилиндра (4), вспомогательный цилиндр (3) с поршнем вспомогательного цилиндра (5); коленчатого вала (17); впускного коллектора (6); впускного клапана (7); соединительного канала (8); внешней камеры сгорания (10); клапана камеры сгорания (9); регенератора (11); выпускного коллектора (12); выпускного клапана (13), инжектора (14); свечи зажигания (15).

Вспомогательный цилиндр (3) выполняет функцию поршневого компрессора. Внешняя камера сгорания (10) и выпускная часть соединительного канала (8) расположены в регенераторе (11), который соединен с выпускным коллектором (12).

Регенератор (11) представляет собой расширение выхлопного коллектора (12), который включает в себя часть внешней камеры сгорания (10) и выпускную часть соединительного канала (8). Регенератор (11) служит для направления потоков выхлопных газов на внешнюю камеру сгорания (10) и соединительный канал (8) для теплообмена: остатки горючих материалов в выхлопных газах догорают в регенераторе (11) и дополнительно согревают внешнюю камеру сгорания (10) и соединительный канал (8).

Клапан камеры сгорания (9) является выпускным клапаном вспомогательного цилиндра (3). Внешняя камера (10) сгорания отделена от рабочего цилиндра (2) и соединена с ним непосредственно соединительным каналом (8).

При этом внешняя камера сгорания (10) размещена в середине соединительного канала (8), разделяя его на впускную и выпускную части. Соединительный канал соединен впускной частью с вспомогательным цилиндром (3), а выпускной частью соединен с рабочим цилиндром (2). Соединительный канал (8) в выпускной части имеет внутренние винтовые канавки (16) для обеспечения завихрения газов.

Предлагаемый двухтактный двигатель по варианту 2 (фиг.2) состоит из блока цилиндров (1), в котором расположен рабочий цилиндр (2) с поршнем рабочего цилиндра (4), коленчатого вала (17), соединительного канала (8), внешней камеры сгорания (10), клапана камеры сгорания (9), регенератора (11), выпускного коллектора (12), выпускного клапана (13), инжектора (14), свечи сгорания (15), нагнетателя воздуха (18).

Клапан камеры сгорания (9) является выпускным клапаном нагнетателя воздуха. Внешняя камера (10) сгорания отделена от рабочего цилиндра (2) и соединена с ним непосредственно соединительным каналом (8).

При этом внешняя камера сгорания (10) размещена в середине соединительного канала (8), разделяя его на впускную и выпускную части. Соединительный канал соединен впускной частью с нагнетателем воздуха (18), а выпускной частью соединен с рабочим цилиндром (2). Соединительный канал (8) в выпускной части имеет внутренние винтовые канавки (16) для обеспечения завихрения газов.

Внешняя камера сгорания (10) и выпускная часть соединительного канала (8) расположены в регенераторе (11), который соединен с выпускным коллектором (12). В качестве нагнетателя воздуха может быть использован любой известный из уровня техники нагнетатель, например: роторный компрессор, турбонагнетатель, электрический нагнетатель и прочие виды.

Регенератор (11) представляет собой расширение выхлопного коллектора (12), и включает в себя часть внешней камеры сгорания (10) и выпускную часть соединительного канала (8). Регенератор (11) служит для направления потоков выхлопных газов на внешнюю камеру сгорания (10) и соединительный канал (8) для теплообмена: остатки горючих материалов в выхлопных газах догорают в регенераторе (11) и дополнительно согревают внешнюю камеру сгорания (10) и соединительный канал (8).

Работа

Заявляемый двигатель по варианту 1 работает следующим образом.

При движении поршня вспомогательного цилиндра (5) к нижней мертвой точке открывается впускной клапан (7), при этом клапан камеры сгорания (9) закрыт, происходит всасывание воздуха из атмосферы в вспомогательный цилиндр (3). При достижении поршнем вспомогательного цилиндра (5) нижней мертвой точки закрывается впускной клапан (7), при достижении центра вспомогательного цилиндра (3) открывается клапан камеры сгорания (9). Поршень вспомогательного цилиндра (5) выталкивает воздух из вспомогательного цилиндра (3) в впускную часть соединительного канала (8). Воздух, проходя через внешнюю камеру сгорания (10), попадает в выпускную часть соединительного канала (8) и достигает рабочего цилиндра (2), осуществляется продувка соединительного канала (8), внешней камеры сгорания и рабочего цилиндра (2). При достижении поршнем вспомогательного цилиндра (5) верxней мертвой точки, закрывается клапан камеры сгорания (9), открываются впускной клапан (7). При движении поршня рабочего цилиндра (4) вверх и достижения центра рабочего цилиндра (2) закрывается выпускной клапан (13). Поршень рабочего цилиндра (4), двигаясь к верхней мертвой точке сжимает содержимое рабочего цилиндра (2) в соединительном канале (8) и внешней камере сгорания (10).

В двигателе, работающем на бензине, топливо подается посредством инжектора (14) перед закрытием выпускного клапана (13), чтобы часть топлива опустилась по выпускной части соединительного канала (8) и обратно поднялась в внешнюю камеру сгорания (10) при движении поршня рабочего цилиндра (4) к верхней мертвой точке, с целью лучшего перемешивания с воздухом. Воспламенение происходит от свечи зажигания (15) при достижении поршнем рабочего цилиндра (4) верхней мертвой точки.

В двигателе, работающем на дизельном топливе, топливо впрыскивается инжектором (14) в сжатый воздух при достижении поршнем рабочего цилиндра (4) верхней мертвой точки, свеча зажигания (15) отсутствует, топливо воспламеняется от энергии сжатого воздуха.

При воспламенении топливовоздушной смеси, в результате горения топлива происходит расширение газов, которые толкают (4) поршень рабочего цилиндра вниз. Начинается рабочий такт: поршень рабочего цилиндра (4) толкается к нижней мертвой точке. Перед достижением поршнем рабочего цилиндра (4) нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан (13), выхлопные газы через выхлопной коллектор (12) поступают в регенератор (11). Выхлопные газы, выходя из регенератора (11), передают часть тепловой энергии внешним стенкам внешней камеры сгорания (10) и выпускной части соединительного канала (8).

При следующем такте холодный воздух, поступающий из вспомогательного цилиндра (3) во внешнюю камеру сгорания (10), согревается и расширяется благодаря энергии, полученной от регенератора (11). Расширение газов способствует лучшей продувке внешней камеры сгорания (10), соединительного канала (8) и рабочего цилиндра (2). При достижении поршнем рабочего цилиндра (4) верхней мертвой точки и начале движения вниз продолжается согревание сжимаемого воздуха от регенератора (11) и наблюдается рост внутреннего давления. При увеличении давления молекулы газов чаще соприкасаются со стенками внешней камеры сгорания (10) и выпускной части соединительного канала (8), что способствуют еще большему росту внутреннего напряжения и увеличению выталкивающей силы, направленной на поршень рабочего цилиндра (4) по принципу двигателя Стирлинга. При воспламенении и сгорании топливовоздушной смеси во внешней камере сгорания (10) в замкнутом пространстве ускоряется рост давления. Рост внутреннего давления посредством энергии регенератора (11) уменьшает объем топлива, необходимого для совершения рабочего цикла. Энергия, получаемая от сгорания топлива в рабочем цилиндре (2), дополняется энергией полученной от регенератора. Коленчатый вал (17) обеспечивает возвратно-поступательное движение поршней (4 и 5). Далее цикл повторяется. Винтовые канавки (16) придают вращательное движение топливовоздушной смеси, дополнительно перемешивая топливо с воздухом, топливовоздушная смесь становится более гомогенной, тем самым быстрее происходит процесс сгорания во время рабочего такта и уменьшается количество выброса несгоревшего топлива в выхлопную систему.

Заявляемый двигатель по варианту 2 работает следующим образом. При достижении поршнем рабочего цилиндра (4) нижней мертвой точки открывается выпускной клапан (13), далее клапан камеры сгорания (9). Нагнетатель воздуха (18) направляет поток воздуха посредством впускной части соединительного канала (8) во внешнюю камеру сгорания (10). При движении поршня рабочего цилиндра (4) вверх и достижения центра рабочего цилиндра (2) закрывается выпускной клапан (13) и клапан камеры сгорания (9). Поршень рабочего цилиндра (4), двигаясь к верхней мертвой точке, сжимает содержимое рабочего цилиндра (2) в соединительном канале (8) и внешней камере сгорания (10).

В двигателе, работающем на бензине, топливо подается посредством инжектора (14) перед закрытием выпускного клапана (13), чтобы часть топлива опустилась по выпускной части соединительного канала (8) и обратно поднялась во внешнюю камеру сгорания (10) при движении поршня рабочего цилиндра (4) к верхней мертвой точке с целью лучшего перемешивания с воздухом. Воспламенение происходит от свечи зажигания (15) при достижении поршнем рабочего цилиндра (4) верхней мертвой точки.

В двигателе, работающем на дизельном топливе, топливо впрыскивается инжектором (14) в сжатый воздух при достижении поршнем рабочего цилиндра (4) верхней мертвой точки, свеча зажигания (15) отсутствует, топливо воспламеняется от энергии сжатого воздуха.

При воспламенении топливовоздушной смеси, в результате горения топлива происходит расширение газов, которые толкают (4) поршень рабочего цилиндра вниз. Начинается рабочий такт: поршень рабочего цилиндра (4) толкается к нижней мертвой точке. Перед достижением поршнем рабочего цилиндра (4) нижней мертвой точки, открывается выпускной клапан (13), выхлопные газы через выхлопной коллектор поступают в регенератор (11). Выхлопные газы, выходя из регенератора (11), передают часть тепловой энергии внешним стенкам внешней камеры сгорания (10) и выпускной части соединительного канала (8).

При следующем такте холодный воздух, поступающий из нагнетателя (18) во внешнюю камеру сгорания (10) согревается и расширяется благодаря энергии, полученной от регенератора (11). Расширение газов способствует лучшей продувке внешней камеры сгорания (10), соединительного канала (8) и рабочего цилиндра (2). При достижении поршнем рабочего цилиндра (4) верхней мертвой точки и начале движения вниз продолжается согревание сжимаемого воздуха от регенератора (11) и наблюдается рост внутреннего давления. При увеличении давления молекулы газов чаще соприкасаются со стенками внешней камеры сгорания (10) и выпускной части соединительного канала (8), что способствуют еще большему росту внутреннего напряжения и увеличению выталкивающей силы, направленной на поршень рабочего цилиндра (4), по принципу двигателя Стирлинга. При воспламенении и сгорании топливовоздушной смеси в внешней камере сгорания (10) в замкнутом пространстве ускоряется рост давления. Рост внутреннего давления посредством энергии регенератора (11) уменьшает объем топлива, необходимого для совершения рабочего цикла. Энергия, получаемая от сгорания топлива в рабочем цилиндре, дополняется энергией полученной от регенератора. Коленчатый вал (17) обеспечивает возвратно-поступательное движение поршня рабочего цилиндра (4). Далее цикл повторяется. Винтовые канавки (16) придают вращательное движение топливовоздушной смеси дополнительно перемешивая топливо с воздухом, топливовоздушная смесь становится более гомогенной, тем самым быстрее происходит процесс сгорания во время рабочего такта и уменьшается количество выброса несгоревшего топлива в выхлопную систему.

Компрессия топливовоздушной смеси обеспечивается движением поршня рабочего цилиндра (4) вверх. В зависимости от типа топлива выбирается нужная степень сжатия, которая зависит от длины хода поршня. Степень сжатия вычисляется по следующей формуле:

С = (V1 + V2 + V3) / (V2 + V3), где: [1]

V1 – объем рабочего цилиндра (2) между нижней и верхней мертвыми точками;

V2 – объем выпускной части соединительного канала (8);

V3 – объем внешней камеры сгорания (10);

С – степень сжатия.

В двигателе по варианту (1) для улучшения продувки рабочего цилиндра (2) радиус R3 вспомогательного цилиндра (3) устанавливается больше радиуса R2 рабочего цилиндра (2). Объем цилиндра исчисляется по формуле V = HπR2, [2]

где:

V – это объем цилиндра;

H – высота цилиндра (в данном случае расстояние между верней и нижней мертвыми точками);

π – число Пи;

R – радиус цилиндра.

Из формулы [2] видно, что разница в радиусах R3, R2 цилиндров в 2 раза приведет к разнице в объемах V в 4 раза. Благодаря разнице радиусов R3, R2 из вспомогательного цилиндра (3) поступает объем воздуха в 4 раза больше, чем объем рабочего цилиндра (2), тем самым обеспечивается качественная продувка внешней камеры сгорания (10), рабочего цилиндра (2) большим объемом воздуха.

Отделение внешней камеры сгорания от рабочего цилиндра увеличивает траекторию движения горящей топливовоздушной смеси, что особенно важно при двухтактном цикле, который уступает четырехтактному циклу по продолжительности, поэтому происходит максимальное выделение энергии во время рабочего такта и увеличивается полезная работа. Непосредственное соединение внешней камеры сгорания с рабочим цилиндром позволяет избежать потери давления при наддуве, поэтому при данной схеме возможно использование объемного наддува для лучшего очищения внешней камеры сгорания и рабочего цилиндра от продуктов сгорания с меньшими затратами энергии и обеспечить рабочий такт достаточным объемом свежего воздуха. Результатом является повышение внутреннего давления газов при экономном расходе топлива и увеличение мощности двигателя.

Топливовоздушная смесь, проходя через выпускную часть соединительного канала (8), соприкасаясь с внутренними винтовыми канавками (16), получают вращательное движение, в результате чего улучшается перемешивание топлива с воздухом при такте сжатия и горения. Благодаря лучшему перемешиванию топлива с воздухом ускоряется процесс сгорания внутри рабочего цилиндра (2), достигается более высокая температура реакции и полное сгорание топлива, что в свою очередь улучшает экологические показатели двигателя.

Применение регенератора (11) обеспечивает рекуперацию тепловой энергии выхлопных газов, они отдают часть тепла на согревание внешней камеры сгорания и соединительного канала, тем самым ускоряя расширение газов для выполнения полезной работы по принципу двигателя α-Стирлинг. В отличие от двигателя α-Стирлинга в заявляемом двигателе циркуляция воздуха открытая, холодный воздух постоянно забирается из атмосферы, а отработавшие газы покидают рабочий цилиндр двигателя (2) через выхлопной коллектор (12). Поэтому обеспечивается большая разница между температурами входящих и выходящих газов. Постоянное поступление холодного воздуха, который при равном объеме с теплым имеет бόльшую массу, плотность, позволяет генерировать бόльшую полезную работу. При согревании от регенератора и от энергии сжигания топлива большая масса воздуха требует большего объема для расширения, тем самым увеличивается внутреннее давление, которое сильнее толкает поршень рабочего цилиндра (4) и производит больше механической работы.

Промышленная применимость

Заявляемый двигатель внутреннего сгорания с внешней камерой сгорания найдет применение в производстве механизмов, агрегатов, транспортных средств, приводимых в движение двигателями внутреннего и внешнего сгорания. Предпочтительно использование данного типа двигателей для техники, требующих низко- и среднеоборотных моторов из-за сильного перегрева, т.к. в двухтактном цикле при каждом обороте коленчатого вала происходит рабочий такт, процесс горения. Предпочтительно использование данного типа двигателя в малых промышленных приборах, генераторах, в грузовой технике, малолитражных автомобилях массового сегмента, где приоритетом являются не динамические характеристики, а показатели эффективности и экологичности.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Двигатель Стирлинга. Интернет-ресурс

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0. Дата опубликования 12.02.2007.

2. Двухтактный двигатель. Интернет-ресурс

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B2%D1%83%D1%85%D1%82%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C. Дата опубликования 13.08.2007 г.

3. Отличия двухтактного двигателя от четырехтактного. Интернет-ресурсhttp://tool-land.ru/rabota-chetyrekhtaktnogo-dvigatelya-i-dvukhtaktnogo.php. Дата опубликования 22.11.2012 г.

4. Двигатели оригинальные и удивительные: сгорание. Интернет-ресурс https://www.popmech.ru/vehicles/11471-dvigateli-originalnye-i-udivitelnye-sgoranie/#part0. Дата опубликования 29.08.2014 г.

5. Improved Internal Combustion Engines: Zajac Motors. Интернет-ресурс https://www.greentechmedia.com/articles/read/improving-the-internal-combustion-engine-zajac-motors#gs.9yen8o. Дата опубликования 16.11.2016 г.

6. Патент РФ №2398118 Поршневой двигатель с внешней камерой сгорания. з.№.2009115044/06. Опубликовано: 27.08.2010

7. О ДВС, его резервах и перспективах развития глазами специалиста. Интернет-ресурс http://rtc-ec.ru/notes/o_dvs.html. Дата опубликования 24.01.2012.

1. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, рабочий цилиндр, вспомогательный цилиндр, поршни рабочего и вспомогательного цилиндров, соединенные с коленчатым валом, впускной коллектор, впускной клапан, соединительный канал между вспомогательным и рабочим цилиндрами, внешнюю камеру сгорания, клапан камеры сгорания, регенератор, выпускной коллектор, выпускной клапан, инжектор, свечу зажигания, отличающийся тем, что внешняя камера сгорания и выпускная часть соединительного канала расположены в регенераторе, при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом вспомогательный цилиндр выполняет функцию поршневого компрессора, при этом клапан камеры сгорания является выпускным клапаном вспомогательного цилиндра, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом внешняя камера сгорания размещена в середине соединительного канала, разделяя его на впускную и выпускную части, при этом соединительный канал соединен впускной частью с вспомогательным цилиндром, а выпускной частью соединен с рабочим цилиндром, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов.

2. Двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, рабочий цилиндр, поршень рабочего цилиндра, соединенный с коленчатым валом, соединительный канал, внешнюю камеру сгорания, клапан камеры сгорания, регенератор, выпускной коллектор, выпускной клапан, инжектор, свечу зажигания, нагнетатель воздуха, отличающийся тем, что внешняя камера сгорания и выпускная часть соединительного канала расположены в регенераторе, при этом регенератор установлен на выпускном коллекторе, при этом клапан камеры сгорания является выпускным клапаном нагнетателя воздуха, при этом внешняя камера сгорания отделена от рабочего цилиндра и соединена с ним непосредственно соединительным каналом, при этом внешняя камера сгорания размещена в середине соединительного канала, разделяя его на впускную и выпускную части, при этом соединительный канал соединен впускной частью с нагнетателем воздуха, а выпускной частью соединен с рабочим цилиндром, при этом выпускная часть соединительного канала имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению. Двигатель (1) внутреннего сгорания с утилизацией теплоты отработавших газов содержит лопаточный завихритель, поверхность которого образована вращением относительно оси и перемещением вдоль нее образующей, пересекающей внутренний диаметр канала таким образом, что след от пересечения этой образующей с поверхностью канала образует винтовую линию, исполненную в соответствии с уравнением лемнискаты Бернулли, обладающей свойством безотрывного течения потока.

Предлагаются способы и системы внутрицилиндровой регенерации тепловой энергии, работающие с циклом Ранкина, для извлечения энергии из отработавших газов, которую можно использовать для производства дополнительной работы в транспортном средстве.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к управлению системой рекуперации отходящего тепла для генерации энергии и нагрева двигателя. Способ рекуперации тепла отработавших газов, в котором в ответ на первое условие осуществляют расширение рабочей текучей среды системы (70) рекуперации отходящего тепла посредством расширителя (84) для генерации электроэнергии и блокируют протекание рабочей текучей среды через один или более теплообменников (74, 76), находящихся в тепловом контакте с двигателем (50).

Изобретение относится к силовым установкам с двигателями внутреннего сгорания, в частности с турбопоршневыми двигателями. Техническим результатом является повышение мощности силовой установки и уменьшение температуры газов, уходящих в окружающую среду.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях с турбонаддувом. Способ управления дизелем с турбонаддувом заключается в том, что после сгорания топлива и расширения в цилиндре дизеля (31) отходящие газы, обладающие избыточной энергией, направляются выпускным трубопроводом (7) для расширения в газовую турбину (10).

Изобретение относится к машиностроению, а именно к средствам прогрева элементов гидропривода. Система энергосберегающего контурного прогрева элементов гидропривода содержит штатную гидросистему машины, гидробак (9), регулируемый гидронасос (4), гидрораспределитель (11), гидроцилиндр (12), напорную (7) и сливную (8) гидролинии.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению. Техническим результатом изобретения является: значительное повышение его КПД за счет применения регенерации теплоты и реверса газов; значительное снижение массы и габаритов двигателя за счет выполнения рабочего хода в каждом цилиндре за один поворот коленчатого вала.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Изобретение относится к системе использования отработавших газов для автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, причем эта система использования отработавших газов содержит питающий насос.

Изобретение относится к двигателю транспортного средства. Двигатель содержит резервуар моторного масла, выхлопную систему и термоэлектрическое устройство.

Группа изобретений относится к гибридным тепловым двигателям внутреннего сгорания и с внешним подводом теплоты. Техническим результатом являются увеличение приемистости и удельной мощности двигателя, повышение КПД, надежности и моторесурса.

Изобретение относится к энергомашиностроению, а именно к тепловым электростанциям. Криогенная газопаровая поршневая электростанция состоит из воздухоочистительного устройства (1), связанного с воздушным компрессором (2) и охладителем (3), подключенным к детандеру (4).

Для обеспечения увеличения мощности двигателя до максимальной мощности система управления сцеплением очередного поршня компрессора соединяет соединительный вал с кривошипно-шатунным механизмом очередного поршня компрессора, и очередной поршень компрессора (компрессор может включать от одного до нескольких поршней) движется в верхнюю мертвую точку.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности сжигания топлива.

Изобретение относится к двухтактным двигателям с внешней камерой сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Изобретение относится к области двигателестроения, а имеено к двухтактным двигателям с внешней камеры сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Изобретение относится к двигателям с внешней камерой сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано преимущественно в качестве силовой установки для транспортных средств с экологически чистым выхлопом.

Изобретение может быть использовано в аксиально-поршневых двигателях. Аксиально-поршневой двигатель (1101) содержит по меньшей мере один рабочий цилиндр, питание которого осуществлено от непрерывно работающей камеры (1110) сгорания.

Изобретение относится к устройствам двигателей внутреннего сгорания с разделенным термодинамическим циклом. Техническим результатом является повышение эффективности процесса сгорания.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в автомобилестроении. Топливовоздушную смесь (ТВС) впрыскивают в камеру сгорания (КС) (5) из компрессорного цилиндра (13), снабженного одним или несколькими устройствами для подачи топлива (12 и 27).

Группа изобретений относится к двигателестроению. Техническим результатом является увеличение мощности и улучшение экологических показателей двухтактного двигателя за счет организации интенсивного смесеобразования и увеличения продолжительности сгорания. Двигатель совмещает в себе элементы двигателей внутреннего сгорания и внешнего сгорания. Расширение газов происходит за счет энергии сгорания топливовоздушной смеси, а также за счет рекуперации тепловой энергии выхлопных газов, благодаря чему уменьшается расход топлива. Сущность изобретений заключается в том, что двухтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий и компрессорный цилиндры, соединительный канал между цилиндрами, внешнюю камеру сгорания и регенератор. Согласно изобретению внешняя камера сгорания и выпускная часть соединительного канала расположены в регенераторе. При этом внешняя камера сгорания размещена в середине соединительного канала, разделяя его на впускную и выпускную части, соединительный канал соединен впускной частью с компрессорным цилиндром, а выпускной частью – с рабочим. Соединительный канал имеет внутренние винтовые канавки для обеспечения завихрения газов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх