Поршневой двигатель

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в качестве силовых агрегатов для легковых и грузовых автомобилей, автобусов, летательных аппаратов, двигателей судов, тепловозов, энергетических установок. Поршневой двигатель, состоящий из блока цилиндров, соответствующего числа кривошипно-поршневых групп, работающих на общий коленчатый вал, механизма газораспределения, например, клапанного типа, системы подачи топлива, преимущественно методом непосредственного впрыска топлива в цилиндры системы газоводов, ресивера, теплообменника, системы, зажигания, причем одна группа цилиндров используется в качестве рабочих, т.е. расширительной машины, а другая - в качестве нагнетательных, подающих сжатый воздух в цилиндры первой группы, причем все цилиндры работают по двухтактному циклу. Сжатый воздух из нагнетательных цилиндров предварительно проходит через каналы теплообменника, где он предварительно нагревается за счет тепла отработавших газов, которые направляются по другим каналам того же теплообменника, и поступает затем непосредственно в рабочие цилиндры. Здесь предварительно нагретый сжатый воздух смешивается с топливом и после воспламенения образовавшейся горючей смеси продукты сгорания расширяются, совершая полезную работу. Отработавший газ, пройдя через теплообменник, отводится в атмосферу. В целом как и большинство существующих двигателей внутреннего сгорания, двигатель работает по циклу Отто, однако функционально цилиндры разделены таким образом, что такты всасывания-сжатия совершаются в одной группе цилиндров, а такты горения-расширения-выхлопа - в другой. Такое разделение, как и в изобретении-прототипе, позволяет рекуперировать значительную часть тепловой энергии отработавших газов за счет теплообменника. Однако, данное изобретение

обладает дополнительными важными преимуществами по сравнению с прототипом: 1. Достигается значительное упрощение конструкции до уровня, допускающего ее реализацию на базе современных, отработанных до совершенства инженерных решений. 2. Исключается необходимость в камере сгорания, расположенной вне блока цилиндров, благодаря чему обеспечивается надежность и безопасность работы двигателя. 3. Достигается значительно большее среднее давление в рабочих цилиндрах во время такта расширения и, соответственно, значительно большая удельная мощность (т.е. мощность, приходящаяся на единицу веса двигателя).

Изобретение относится к области двигателестроения и может применяться в качестве силовых агрегатов для легковых и грузовых автомобилей, автобусов, летательных аппаратов, двигателей судов, тепловозов, энергетических установок.

Известные аналоги патент РФ №2246021, авторы Галкин А.Н., Галкин Н.И., Непомилуева Н.Н., патентообладатель Галкин А.Н. двигатель с внешним подводом тепла дополнительно содержит емкость с теплоносителем, внутри которой расположен теплообменник с камерой рабочего тела, при этом емкость соединена с радиатором и нагревателем теплоносителя с образованием замкнутых контуров горячего и холодного теплоносителя, а исполнительный механизм выполнен в виде цилиндра с полостью постоянного давления и полостью рабочего давления, соединенной с камерой рабочего тела, при этом теплообменник выполнен в виде трубок, отверстия которых соединены с емкостью теплоносителя. Контур горячего теплоносителя включает нагреватель, блок управления подачи горячего теплоносителя, трубопроводы. Контур холодного теплоносителя включает радиатор, блок управления подачи холодного теплоносителя, трубопроводы. В качестве теплоносителя использована вода, а в качестве рабочего тела использовано масло, например, марки АМГ-10.

Вторым аналогом выбрано устройство пат. РФ №2043531, автор Николаенко А.В., Кожевников А.П., Нарусланов Р.В., патентообладатель Ленинградский сельскохозяйственный институт. Устройство для тепловой обработки воздуха выхлопными газами содержит впускной трубопровод для свежего заряда, снабженный теплообменником, блок регулирования выхлопных газов, соединенный с трактом выпуска и с теплообменником, при этом блок регулирования содержит корпус, к стенке которого одним концом жестко прикреплена биметаллическая пластина, над которой расположен

неподвижный диск с окнами, соосно с которым крепится подвижный диск с аналогичными окнами, имеющий ограничитель, закрепленный на боковой поверхности окна с возможностью его перемещения, проходящий через окно неподвижного диска и соединенный со свободным концом биметаллической пластины.

Прототипом выбран патент РФ №2302543 С1, авторы Баринов В.В., Глейзер А.И., Шайкин А.П., патентообладатель Тольяттинский государственный университет. Поршневой двигатель, состоящий из блока цилиндров, соответствующего числа кривошипно-поршневых групп, работающих на общий коленчатый вал, механизма газораспределения, например, клапанного типа, системы подачи топлива, систем смазки, охлаждения и зажигания, камеры сгорания, системы газоводов, ресивера, теплообменника, при этом камера сгорания двигателя, в которую подается топливно-воздушная смесь, вынесена за пределы блока цилиндров и является общей для всех рабочих цилиндров, при этом часть цилиндров блока используется в качестве нагнетательных, обеспечивающих подачу сжатого воздуха в камеру сгорания, в то время как другая часть рабочих цилиндров используется в качестве расширительной машины, которая питается высокотемпературным газом, подаваемым из камеры сгорания через систему газораспределения, причем все цилиндры и нагнетательные и рабочие работают по двухтактному циклу. Воздух из нагнетательных цилиндров до его поступления в камеру сгорания проходит по каналам теплообменника, где он предварительно нагревается за счет выхлопных газов, протекающих по другим каналам того же теплообменника, после чего отработавшие газы отводятся в атмосферу.

Недостатком конструкции прототипа и аналогов является:

1. требуется внешняя камера сгорания, что снижает надежность и безопасность;

2. значительное снижение среднего давления в рабочих цилиндрах во время такта расширения.

Задачей создания поршневого двигателя является возможность сохранить безопасность эксплуатации на уровне традиционных двигателей внутреннего сгорания, значительно упростить конструкцию двигателя до уровня, позволяющего использовать возможности традиционной технологии.

Техническим результатом является повышение термического КПД двигателя по сравнению с традиционными конструкциями, отпадает необходимость в использовании внешней камеры сгорания, увеличивается удельная мощность, т.е. мощность, приходящуюся на единицу веса.

Технический результат достигается за счет того, что сжатый и предварительно нагретый в теплообменнике воздух поступает непосредственно в рабочие цилиндры, смешивается здесь с поступающим сюда же топливом.

Заявленное изобретение, в той же мере, что и прототип, позволяет значительно повысить термический КПД двигателя по сравнению с традиционными конструкциями, но в то же время, по сравнению с самим прототипом, оно позволяет, во-первых, сохранить безопасность эксплуатации на уровне традиционных двигателей внутреннего сгорания, во-вторых, значительно увеличить удельную мощность, т.е. мощность, приходящуюся на единицу веса, в-третьих, исключить необходимость в дополнительном чрезвычайно сложном и потенциально опасном узле - камере сгорания, вынесенной за пределы цилиндров, и, в-четвертых, значительно упростить конструкцию двигателя до уровня, позволяющего использовать возможности традиционной технологии.

Конструкция двигателя схематически изображена на рис.1, где обозначено: 1 - блок цилиндров (для примера общее число цилиндров принято равным четырем) 2 - ресивер сжатого воздуха, 3 - теплообменник. Конструкция включает также необходимое количество воздухе - и газопроводов. Точками О1, О3 обозначены оси нагнетательных цилиндров, а О2, О4 - оси рабочих цилиндров. Поршневой двигатель АГ работает следующим образом. Цилиндры О1, О3 являются нагнетательными и служат

только для сжатия атмосферного воздуха и его подачи в ресивер, служащий для уменьшения пульсаций давления. Далее сжатый воздух поступает в теплообменник 3, где он предварительно подогревается за счет тепла отработавших газов. Затем сжатый и предварительно подогретый воздух поступает через систему газораспределения непосредственно в один из рабочих цилиндров, поршень которого находится в положении, близком к положению верхней мертвой точки. После впрыска топлива образовавшаяся топливно-воздушная смесь воспламеняется от системы зажигания и далее совершается рабочий ход, т.е. такт расширения. Отработавшие газы проходят через теплообменник, где они отдают часть своей тепловой энергии новой порции свежего воздуха, после чего выбрасываются в атмосферу. Включение в рабочий цикл и в конструкцию теплообменника позволяет рекуперировать значительную часть тепловой энергии выхлопных газов и таким образом существенно улучшить топливную экономичность двигателя и его экологичность. Таким образом, главное преимущество прототипа сохраняется в полной мере. Однако в отличие от двигателя-прототипа, работающего по циклу Ренкина, более присущего газотурбинным двигателям, предлагаемый двигатель работает по традиционному для существующих двигателей внутреннего сгорания циклу Отто. Это позволяет использовать для реального создания предлагаемого двигателя традиционные, в совершенстве отработанные технологию и инженерные решения. Но при этом, благодаря использованию цикла Отто, значительно увеличивается среднее давление в цилиндре во время такта расширения и, соответственно, достигается увеличение удельной мощности и снижение удельного веса предлагаемого двигателя, по сравнению с двигателем-прототипом.

Поршневой двигатель, состоящий из блока цилиндров, соответствующего числа кривошипно-поршневых групп, механизма газораспределения, например, клапанного типа, системы подачи топлива, преимущественно методом непосредственного впрыска в цилиндры, системы газоводов, ресивера, теплообменника, систем смазки, зажигания и охлаждения, в котором часть цилиндров используется в качестве нагнетательных, обеспечивающих всасывание и сжатие атмосферного воздуха и его подачу через ресивер в теплообменник, причем теплообменник служит для рекуперации части тепловой энергии отработавших газов путем передачи этой энергии сжатому в нагнетательных цилиндрах воздуху, отличающийся тем, что сжатый и предварительно нагретый в теплообменнике воздух поступает непосредственно в рабочие цилиндры.