Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить термодинамическую эффективность свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания путем утилизации теплоты отработавших газов. Двигатель содержит корпус 1 с выхлопным каналом и по крайней мере один цилиндр 3 с поршнем 4. Надпоршневая газовая полость 5 имеет впускные 6 и выпускные 7 окна и форсунку 8. Подпоршневая гидравлическая полость 9 заполнена турбожидкостью 10, в которой помещена гидротурбина 11 двухстороннего действия. Ротор гидротурбины 11 снабжен эксцентриковым венцом 30, заключенным в цилиндрическую расточку корпуса 1 с образованием серповидной камеры, разделенной на полости расширения и выхлопа посредством радиальной пластины. Полости расширения и выхлопа сообщены соответственно окнами 7 и выхлопным каналом. В процессе расширения осуществляемого термодинамического цикла поршень 4 движется в цилиндре 3 от в.м.т. к н.м.т. под действием избыточного давления рабочей среды. При этом осевой поток турбожидкости 10 вращает ротор гидротурбины 11. При движении поршня от н.м.т. к в.м.т. ротор продолжает вращаться в ту же сторону в силу симметрии лопаток ротора и направляющих аппаратов относительно вращения плоскости. В серповидной камере отработавшие газы расширяются в камере расширения и на валу 41 отбора мощности создается дополнительный вращающий момент. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 02 В 71 04

I

1 . 3

:г 1, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCMOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4480713/25-06 (22) 09.09.88 (46) 30.08.90. Бюл. № 32 (75) В. П. Коротков (53) 621.43 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1023123, кл. F 02 В 71/04, 1983. (54) С ВОБОД НОПОР Ш НЕВОЙ ДВ И ГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение относится к двигателестроению и позволяет повысить термодинамическую эффективность свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания путем утилизации теплоты отработавших газов.

Двигатель содержит корпус 1 с выхлопным каналом и по крайней мере один цилиндр 3 с поршнем 4. Надпоршневая газовая полость 5 имеет впускные 6 и выпускные 7 окна и форсунку 8. Подпоршневая гидравлическая полость 9 заполнена турбожидкостью 10, в которой помещена гидротурбина 11 двухстороннего действия. Ротор

„„SU„„1588887 д 1 гидротурбины 11 снабжен эксцентриковым венцом 30, заключенным в цилиндрическую расточку корпуса 1 с образованием серповидной камеры, разделенной на полости расширения и выхлопа посредством радиальной пластины. Полости расширения и выхлопа ссюбщены ссютветственно с окнами 7 и выхлопным каналом. В процессе расширения осуществляемого термодинамического цикла поршень 4 движется в цилиндре 3 от в.м.т. к н.м.т. под действием избыточного давления рабочей среды. При этом осевой поток турбожидкости 10 вра щает ротор гидротурбины 11. При движении поршня от н.м.т. к в.м.т. ротор продолжает вращаться в ту же сторону в силу симметрии лопаток ротора и направляющих аппаратов относительно вращения плоскости.

В серповидной камере отработавшие газы расширяются, в камере расширения и на валу

41 отбора мощности создается дополнительный вращающий момент. 4 ил. а

1588887

Изобретение относится к энергомашиностроению, в частности двигателестроению, и может быть использовано в силовых установках для привода механизмов и машин.

Целью изобретения является повышение термодинамической эффективности двигателя путем утилизации теплоты отработавших газов.

На фиг. 1 изображен предлагаемый двигатель (продол ьный разрез) в двухцилиндровом варианте; на фиг. 2 — то же, поперечный разрез; на фиг. 3 — фрагмент развертки гидротурбины двустороннего действия; на фиг. 4 — осуществляемый в двигателе термодинамический цикл, в координатах энтропия — температура.

С вободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания содержит корпус 1 с выхлопным каналом 2 и по крайней мере один цилиндр 3 с поршнем 4, образующие надпоршневую газовую полость 5 с впускными 6 и выпускными 7 окнами и форсункой 8 и подпоршневую гидравлическую полость 9, заполненную турбожидкостью 10, в которой помещена гидротурбина 11 двустороннего действия. Подача топлива под давлением в форсунку 8 обеспечивается по трубопроводу 12 топливным насосом 13, приводимым в действие от кулачка 14, взаимодействующего с юбкой поршня 4. В качестве турбожидкости 10 может быть использована водно-масляная эмульсия. Для 30 обеспечения регулировки мощности гидротурбины 11 подпоршневая компрессорная полость 9 соединена посредством трубопровода

15 со средством (не показано) изменения плотности турбожидкости 10. Гидротурбина

11 двустороннего действия имеет симметрич- Зь ные относительно плоскости 16 вращения лопатки 17, 18, 19 ротора 20 и направляющих аппаратов 21, 22. Ротор 20 гидротурбины

11 установлен с возможностью вращения вокруг продольной оси 23 цилиндра 3 посредством подшипниковых опор 24, 25. Предусмотрены уплотнения 26, 27, поршни 4 и роторы 20 гидротурбины 11.

В двухцилиндровом варианте поршни

4 жестко связаны между собой посредством штока 28, пропущенного через труб- 4g чатую ступицу 29 гидротурбины I I. Для повышения термодинамической эффективности двигателя путем утилизации теплоты отработавших газов ротор 20 гидротурбины

11 снабжен эксцентриковым венцом 30, заключенным в цилиндрическую расточку Бо

31 корпуса с образованием серповидной камеры 32 переменного объема, разделенной на полости расширения 33 и выхлопа 34, посредством радиальной пластины 35, установленной в пазу 36 корпуса 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения, при этом полости расширения 33 и выхлопа 34 сообщены ссютветственно с выпускными окнами 7 посредством патрубка 37 и выхлопным каналом 2 корпуса 1.

Для улучшения балансировки в эксцентриковом венце 30 выполнены требуемые полости (не показаны) . Для уменьшения потерь на трение эксцентриковый венец 30 охвачен вращающимся на подшипнике

38 кольцом 39. Для обеспечения прижима радиальной пластины 35 к наружной поверхности кольца 39 паз 36 сообщен посредством трубопровода 40 с источником давления (не показан). Вал 41 отбора мощности через универсальный шарнир 42 и шестерни 43, 44 соответственно с наружными и внутренними зубьями кинематически связан с роликом 20 гидротурбины

11. При этом шестерня 44 соосна продольной оси 23.

Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.

В установившемся режиме поршень 4 совершает в цилиндре 3 возвратно-поступательные перемещения, ротор 20 гидротурбины 11 и его эксцентриковый венец 30 непрерывно вращаются по часовой стрелке (как на фиг. 2), в полость 33 непрерывно подается газ из полости 5 цилиндра, а из полости 34 этот газ удаляется в атмосферу при каждом повороте эксцентрикового венца 30.

В цилиндре 3 осуществляется термодинамический цикла а-h-с-с! -а двухтактного дизеля, результатом которого является образование осевого потока турбожидкости

10, приводящего гидротурбину 11 во вращение, и генерация отработавших газов высокой температуры, создающих при расширении в серповидной камере 32 дополнительный вращающий момент на роторе 20 гидротурбины в результате осуществления термодинамического цикла а-д-с1-а.

Термодинамический цикл а-b-c-d-а состоит из двух изотропных процессов сжатия а-Ь и расширения с-d и двух изохорных процессов подвода Ъ-с и отвода d -а теплоты.

В процессе а-б сжатия поршень 4 движется в цилиндре 3 от нижней мертвой точки (н.м.т.) к верхней мертвой точке (в.м.т.) под действием избыточного давления рабочей среды в процессе с-d расширения в другом цилиндре 3. При этом образуется движущийся вслед за поршнем 4 осевой поток турбожидкости 10, отклоняемый под определенными углами лопатками 18, 19 отклоняющих аппаратов 21, 22 и в результате взаимодействия с лопатками 17 ротора 20 приводящий вал 41 отбора мощности во вращение через шестерни 44, 43 и универсальный шарнир 42. В конце процесса а-Ь сжатия заряда свежего воздуха, поступившего через впускные окна 6 в предыдущем процессе цикла, повышаются температура и давление, юбка поршня 4 взаимодействует с кулачком 14 топливного насоса

13 и по трубопроводу 12 через форсунку 8

11588887

Формула изобретения

11 в надпоршневую полость 5 впрыскивается топливо, распыленное до мелкодисперсного состояния.

В процессе Ь -с подвода теплоты поршень 4 находится вблизи от в м т., происходит самовоспламенение и сгорание топлива и образуется рабочая среда высокого давления и температуры.

В процессе с-d расширения поршень

4 движется в цилиндре 3 от в.м.т. к н.м.т. под воздействием избыточного давления рабочей среды. При этом образуется движущийся перед поршнем 4 осевой поток турбожидкости 10, отклоняемый под определенными углами лопатками 18, !9 направляющих аппаратов 21, 22 и в результате взаимодействия с лопатками 17 ротора 20 приводящий вал 41 отбора мощности во вращение. Несмотря на то, что направление потока турбожидкости 10 по сравнению с направлением в процессе а-Ь сжатия изменилось на противоположное, ротор 20 продолжает вращаться в ту же сторону и в силу симметрии лопаток 17 ротора 20 и лопаток 18, l9 направляющих аппаратов 21, 22 относительно плоскости 16 вращения.

В процессе d -а отвода теплоты поршень

4 находится вблизи от н.м.т., впускные 6 и выпускные 7 окна открыты и протекает продувка и наполнение надпоршневой полости

5 зарядом свежего воздуха, поступающего от специального нагнетателя (не показан).

В серповидной камере 32 рабочая среда расширяется в полости 33 расширения.

Протекает процесс d d расширения и на валу

41 отбора мощности создается дополнительный вращающий момент. Из камеры 34 выхлопа отработавшая рабочая среда удаляется в выхлопной канал 2. Протекает процесс d-а отвода теплоты в окружающее пространство.

Регулировка двигателя производится изменением подачи топливного насоса !3, влияющей на величину среднего индикаторного давления в надпоршневой полости 5.

Запуск двигателя осуществляется подачей !

О сжатого воздуха в цилиндры.

Свободнопорш невой двигатель внутреннего сгорания, содержащий корпус с выхлопным каналом и по крайней мере один цилиндр с поршнем, образующие надпоршневую газовую полость с впускными и выпускными окнами и форсункой и подпоршневую гидравлическую полость, заполненную турбожидкостью, в которой размещена гидротурбина двустороннего действия, отличаюи<ийся тем, что, с целью повышения термодинамической эффективности путем утилизации теплоты отработавших газов, ротор гидротурбины снабжен эксцентриковым

25 венцом, заключенным в цилиндрическую расточку корпуса с образованием серповидной камеры переменного объема, разделенной на полости расширения и выхлопа посредством радиальной пластины, установленной в пазу корпуса с возможностью

30 возвратно-поступательного перемещения, при этом полости расширения и выхлопа сообщены ссютветственно с выпускными окнами цилиндра и выхлопным каналом корпус а.

1588887

22

17

Фиг. 5

Составитель К. Агафонов

Редактор М. Бандура Техред А. Кравчук Корректор Л. Пилипенко

Заказ 2522 Тираж 437 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат «Г!атент», г. Ужгород, ул. Гагарина, 101