Поршневой двигатель и способ применения топлива в поршневом двигателе

Группа изобретений относится к транспортному машиностроению и может быть использована в автомобилях, тракторах и других транспортных средствах и в транспортно-технологических машинах, эксплуатирующихся при переменных нагрузках в старт-стопном режиме, при низких отрицательных температурах. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя и увеличение его ресурса. Сущность изобретений заключается в том, что поочередно осуществляют рабочие такты вначале на основе расширения рабочего тела в виде паровоздушной смеси топлива, как в паровой машине простого действия, а затем на основе расширения продуктов сгорания этой смеси, как в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), причем в качестве топлива используют одноатомный спирт биобутанол ввиду его предпочтительных энергетических, экологических и применительных качеств, в частности температуры замерзания -114°С. Способ может быть осуществлен в одноцилиндровом двигателе с 6-тактным циклом, в одноцилиндровом прямоточном двигателе с 2-тактным циклом с продольной продувкой, в двухцилиндровом двигателе с двумя последовательными 4-тактными циклами. Во всех вариантах достигается повышение термического КПД за счет рационального использования тепла, упрощается конструкция за счет совмещения систем циркуляции топлива и рабочего тела, упрощается обслуживание и эксплуатация и устраняется токсичность выхлопа за счет применения единого топлива и рабочего тела в виде спирта биобутанола. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению и может быть использовано в автомобилях, тракторах и других транспортных и транспортно-технологических машинах, эксплуатирующихся при переменных нагрузках в старт-стопном режиме и при низких отрицательных температурах.

Известен 4-х-тактный комбинированный двигатель, в одном (основном) цилиндре которого процессы трех первых тактов протекают в обычном порядке, то есть происходят всасывание, сжатие, рабочий ход, но в конце рабочего хода в цилиндр впрыскивают воду, которая испаряется в атмосфере горячих продуктов сгорания и выхлоп происходит во второй (дополнительный) цилиндр большего диаметра. Расширяющийся пар, имея одинаковое давление в обоих цилиндрах, давит на поршень дополнительного цилиндра с большей силой и эта разница создает дополнительный крутящий момент на валу двигателя. Когда в основном цилиндре повторяются первые три такта, поршень дополнительного цилиндра после выталкивания отработанной паро-газовой смеси в глушитель никакой работы не производит (RU №2338076, МПК F02B 41/06, F02B 47/02, опубл. 10.11.2008).

Недостатками двигателя являются противодавление, возникающее в начальный момент испарения впрыснутой воды, потери механической энергии на преодоление сил трения и инерции при холостых движениях дополнительного поршня, выброс в глушитель газопаровой смеси со значительным запасом тепла, наличие двух систем питания топливом и рабочим телом, использование воды, замерзающей при 0°С, непроработанность процедуры запуска двигателя.

Известен 6-ти-тактный двигатель Б. Кроуэра, осуществленный на основе 4-х-тактного ДВС с добавлением системы впрыска воды в цилиндры в конце хода выхлопа после закрытия выпускного клапана. К обычным 4-м тактам ДВС добавлены 2 такта в режиме паровой машины, в ходе которых после совершения работы расширения образовавшегося в цилиндре пара он выпускается через отдельный выпускной клапан (USA 2007/0022977 А1 США, МКИ F01B 29/04. Method and apparatus for operating an internal combustion engine / Crower H.B., 2007).

Недостатками известного двигателя являются необходимость в дополнительном оснащении для хранения и циркуляции воды, применение дистиллированной воды, замерзающей при 0°С, применение невозобновляемого топлива нефтяного происхождения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по техническим признакам является способ использования энергии ДВС, заключающийся в том, что преобразуют жидкость, пропускаемую через систему охлаждения цилиндров, в пар отбором тепла от внешних стенок цилиндров и тепла от отработанных газов, подают перегретый пар в ресивер, из которого его через впускной клапан направляют в цилиндр, где он совершает работу расширения, затем через выпускной клапан в конденсатор в жидком виде возвращается в систему охлаждения, при этом цилиндр помимо паровых клапанов снабжен двумя клапанами для управления работой ДВС, а электронная система управления работой клапанов устроена с возможностью переключения работы двигателя либо на работу в режиме ДВС, либо на работу в режиме паровой машины простого действия (RU №2491430, МПК F02B 47/02, F02M 25/03, опубл. 27.08.2013).

Недостатками способа являются наличие традиционной системы конденсации отработанного пара, наличие двух независимых систем циркуляции топлива для ДВС и рабочего тела для паровой машины и применение двух веществ для парового и топливного контура.

Технический результат заявленного изобретения заключается в более полной рекуперации тепла продуктов сгорания и отработанного пара, устранении токсичных выбросов в атмосферу, упрощении конструкции силовой установки и увеличении ее ресурса, упрощении процедур обслуживания и эксплуатации, в особенности при низких отрицательных климатических температурах.

Заявляемый технический результат достигается подогревом топлива продуктами его сгорания, применением в качестве топлива-рабочего тела возобновляемого вещества, не дающего при сгорании токсичных продуктов, совмещением процесса расширения пара с процессом подготовки рабочей смеси для ДВС-цикла, объединением деталей топливного и парового контура.

Сущность изобретения состоит в том, что поочередно осуществляют рабочие такты вначале на основе расширения рабочего тела в виде паровоздушной смеси топлива, как в паровой машине простого действия, а затем на основе расширения продуктов сгорания этой смеси, как в ДВС, причем в качестве топлива используют одноатомный спирт биобутанол ввиду его предпочтительных энергетических, экологических и применительных качеств, в частности, температуры замерзания -114°С. Способ может быть осуществлен в одноцилиндровом двигателе с 6-и-тактным циклом, в одноцилиндровом прямоточном двигателе с 2-х-тактным циклом с продольной продувкой, в двухцилиндровом двигателе с двумя последовательными 4-х-тактными циклами. Во всех вариантах достигается повышение термического КПД за счет рационального использования тепла, упрощается конструкция за счет совмещения систем циркуляции топлива и рабочего тела, упрощается обслуживание и эксплуатация и устраняется токсичность выхлопа за счет применения единого топлива и рабочего тела в виде спирта биобутанола, причем все варианты допускают многоцилиндровую компоновку.

Изобретение поясняется графически (фиг. 1-3). На фиг. 1 представлена конструктивная схема установки для реализации заявляемого способа применения топлива и рабочего тела в варианте одноцилиндрового двигателя с 6-и тактным циклом, содержащей цилиндр 1 с поршнем 2 и кривошипно-шатунным механизмом, впускным клапаном 3, инжектором (форсункой) 4, запальной свечой 5, обогревательным кожухом 6, турбокомпрессор 7-8, топливный насос 9, топливный бак 10 и стартер, теплообменник 11, газоходы 12-13, трубопровод 14, воздуховод 15, выпускной клапан 16.

Установка работает следующим образом. При движении поршня 2 вниз и открытом клапане 3 компрессор 7 нагнетает в цилиндр 1 воздух. Обратным движением при закрытых клапанах поршень 2 сжимает воздух, что приводит к некоторому его нагреванию. Вблизи ВМТ инжектор 4 впрыскивает порцию распыленного топлива, которое от соприкосновения с внутренними поверхностями цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и нагретым воздухом испаряется и в процессе расширения воздушнопаровая смесь совершает рабочий ход, двигая поршень 2 к НМТ. Обратным движением вверх поршень 2 сжимает несколько остывшую воздушнопаровую смесь. Вблизи ВМТ срабатывает запальная свеча, смесь воспламеняется и расширяющиеся продукты сгорания совершают второй рабочий ход. Обратным движением вверх при открывшемся клапане 16 поршень 2 выталкивает раскаленные продукты сгорания в турбину 8, затем в обогревательный кожух 6, в корпус подогревателя 11 и в атмосферу. Таким образом, в рассмотренном варианте в цилиндре двигателя из 6-ти выполненных тактов 2 такта рабочие (отношение составляет 1:3) в отличие от обычного 4-х-тактного ДВС (отношение составляет 1:4).

На фиг. 2 приведена конструктивная схема установки для реализации заявленного способа применения топлива и рабочего тела в варианте одноцилиндрового прямоточного двигателя с продольной продувкой с 2-х-тактным циклом, содержащая цилиндр 1 с поршнем 2 и кривошипно-шатунным механизмом, впускным клапаном 3, инжектором (форсункой) 4, запальной свечой 5, выхлопным окном и обогревательным кожухом 6, турбокомпрессор 7-8, топливный насос 9, топливный бак 10 и стартер, теплообменник (подогреватель) 11, газоходы 12-13, трубопровод 14, воздуховод 15, впускной клапан 16. На фиг. 2 показан также вертикальный разрез по клапану 3 перпендикулярно плоскости чертежа.

Установка работает следующим образом. При движения поршня 2 от ВМТ вниз открывается впускной клапан 3 и цилиндр заполняется воздухом из картера или нагнетается компрессором в зависимости от стадии работы. При этом производится продольная продувка цилиндра от клапана 3 до выхлопного окна в стенке цилиндра. При обратном движении поршня клапан 3 закрывается и производится сжатие воздуха. Когда поршень приблизится к ВМТ, инжектором 4 впрыскивается порция топлива в подогретый сжатием воздух, которая испаряется, толкает поршень вниз и происходит паровой рабочий ход. На некоторой его доле (например, на 1/3) срабатывает свеча 5, паро-воздушная смесь воспламеняется и рабочий ход продолжается за счет расширения продуктов сгорания. По достижении поршнем уровня выпускного окна открывается клапан 3 и происходит продувка с возможным частичным выходом продувочного воздуха в выхлопной канал. При обратном движении поршня вверх все повторяется. При запуске двигателя с помощью электростартера или другим устройством все происходит в принудительном порядке, а после некоторого прогрева деталей ЦПГ работа становится самоподдерживающейся. Продукты сгорания по газоходу 12 направляются в турбину 8, из нее по газоходу 13 - в обогревательный кожух 6, змеевиковый подогреватель топлива 11 и на выхлоп в атмосферу. Таким образом, в двигателе рассмотренной схемы комбинированные рабочие ходы выполняются на каждом обороте вала двигателя (1:2), его предпочтительнее выполнять с удлиненным цилиндром, чтобы увеличить продолжительность стадий расширения паровой и газовой фаз.

На фиг. 3 представлена конструктивная схема установки для реализации заявленного способа применения топлива и рабочего тела в варианте двухцилиндрового двигателя с двумя последовательными 4-х-тактными циклами, содержащая паровой ПМ-цилиндр 1 с поршнем 2, ДВС-цилиндр 3 с поршнем 4, обогревательный кожух 5, рубашку охлаждения 6 в виде плотно облегающего змеевика, впускной (воздушный) клапан 7, выпускной клапан 8, инжектор (форсунку) 9, выпускной клапан 10, впускной клапан 11, запальную свечу 12. Поршни цилиндров присоединены шатунами к противофазным кривошипам. Внешние устройства представлены турбокомпрессором 13-14, подогревателем топлива 15, топливным насосом 16 и топливным баком 17. Установка содержит стартер 18, перепускной газоход 19, газоход 20, трубопровод 21, газоход 22.

Установка работает следующим образом. При движении ПМ-поршня вниз и открытом клапане 7 компрессор 14 заполняет ПМ-цилиндр воздухом. При обратном движении клапан 7 закрывается и поршень 2 сжимает воздух, что сопровождается некоторым его нагревом. Вблизи ВМТ инжектор 9 впрыскивает в цилиндр распыленное топливо, которое при соприкосновении с нагретыми деталями ЦПГ и нагретым воздухом испаряется, перегревается и, расширяясь, двигает поршень 2 вниз, то есть совершает рабочий ход. При обратном движении поршня 2 к ВМТ и открытых клапанах 8 и 11 продолжающая расширение воздушно-паровая смесь переталкивается в ДВС-цилиндр, где производится дополнительный рабочий ход.

В ходе следующего полуоборота поршень 2 идет вниз и цилиндр 1 заполняется воздухом, а поршень 4 идет вверх, сжимая паровоздушную смесь. Вблизи ВМТ срабатывает свеча 12, смесь воспламеняется и совершается ДВС- рабочий ход. В это же время происходит сжатие воздуха в ПМ-цилиндре и впрыскивание в него топлива. Далее в ДВС-цилиндре открывается выпускной клапан 10 и происходит выпуск продуктов сгорания, а в ПМ-цилиндре совершается рабочий ход. Отношение рабочих ходов к их общему числу составляет 1:4. Продукты сгорания из цилиндра 3 проходят по маршруту «газоход 20 - турбина 13 - обогревательный кожух 5 - корпус подогревателя 15 - выхлопная труба», либо по маршруту «газоход 20 - турбина 13 - подогреватель 15 - обогревательный кожух 5 - выхлопная труба» в зависимости от конкретных конструктивных решений установки. Выхлопные газы представляют собой смесь углекислого газа, азота и других газов, содержащихся в воздухе (за исключением кислорода) и водяных паров. Все эти вещества по отношению к земной атмосфере являются возвратными, а не избыточными и по своей природе экологически безвредными.

По сравнению с известными способами представленный обеспечивает более полную рекуперацию тепла продуктов сгорания и отработанного пара, устранение токсичных выбросов в атмосферу, упрощение конструкции силовой установки и увеличение ее ресурса, упрощение процедур обслуживания и эксплуатации, в особенности при низких отрицательных климатических температурах.

1. Способ применения топлива в поршневом двигателе, заключающийся в том, что топливо используют путем сжигания в цилиндре поршневого двигателя и расширения продуктов его сгорания для совершения рабочего хода и получения механической работы с последующим удалением продуктов сгорания, при этом в цилиндр вводят рабочее тело, испаряют его за счет тепла стенки цилиндра и используют расширение пара для совершения рабочего хода и получения механической работы, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используют топливо, при этом в цилиндре с помощью инжектора и турбонагнетателя воздуха за счет контакта с предварительно нагретой стенкой цилиндра образуют воздушно-паровую смесь рабочего тела и путем ее расширения совершают рабочий ход с получением механической работы, затем эту же смесь в последующих ходах поршня повторно используют путем сжигания с помощью запальной свечи и расширения продуктов сгорания для совершения рабочего хода и получения механической работы с последующим удалением продуктов сгорания и использования их для регенерации остаточной тепловой энергии путем приведения в действие турбонагнетателя воздуха, подогрева цилиндра на стадии испарения рабочего тела, подогрева рабочего тела перед подачей в цилиндр, для чего цилиндр снабжают охватывающим обогревательным кожухом, в который продукты сгорания поступают после срабатывания их кинетической энергии в турбокомпрессоре, а также змеевиковым теплообменником, который обогревается продуктами сгорания, прошедшими через обогревательный кожух, и из которого они выбрасываются через выхлопную трубу в атмосферу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что паровую и газовую стадии цикла осуществляют в одном рабочем ходе путем воспламенения паровоздушной смеси после выполнения расчетной части паровой стадии.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что удаление продуктов сгорания в конце рабочего хода производится через выхлопное окно в стенке цилиндра и совмещается с подачей воздуха в цилиндр.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что продукты сгорания проходят по маршруту «газоход - турбина - обогревательный кожух - корпус подогревателя - выхлопная труба» либо по маршруту «газоход - турбина - корпус подогревателя - выхлопная труба» в зависимости от конкретных конструктивных решений установки.

5. Поршневой двигатель, содержащий цилиндр с размещенным в нем поршнем, сжимающим воздух при движении к верхней мертвой точке, с возможностью впрыскивания в сжатый воздух порции топлива, образования паров топлива, их расширения с передачей поршню работы расширения и последующего сжигания расширившихся паров топлива.

6. Двигатель по п. 5, отличающийся тем, что он содержит дополнительный цилиндр, при этом цилиндры связаны между собой перепускным газоходом, расширение паров топлива осуществляют в одном цилиндре, перепускают расширившуюся паровоздушную смесь в другой цилиндр по газоходу и воспламеняют паровоздушную смесь в другом цилиндре.