Двигатель внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в качестве двигателя в приводах транспортных средств и других подвижных или стационарных потребителей механической энергии. Изобретение позволяет создать двигатель внутреннего сгорания с высокими экологическими, энергетичискими и эксплуатационными характеристиками. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий спарку сообщающихся цилиндров, имеющих раздельные системы питания, и кривошипно-шатунный механизм, обеспечивающий определенное опережение движения поршня одного цилиндра, названного цилиндром низкого сжатия, относительно поршня другого цилиндра, названного цилиндром высокого сжатия. В двигатель дополнительно введены регулируемое нагревательное устройство, управляемый электромагнитный клапан, эжектор, смеситель, подкачивающий насос, управляемая система непосредственного впрыска, контроллер. Системы питания обоих цилиндров содержат топливный бак, заполненный легкокипящей жидкостью (например, ДМЭ), с регулируемым контроллером нагревательным устройством, обеспечивающим постоянный уровень температуры внутри бака. Система питания цилиндра низкого сжатия включает управляемый контроллером электромагнитный клапан, установленный в верхней части бака, нерегулируемый эжектор, активное и пассивное сопла которого соединены с выходом электромагнитного клапана и с окружающей средой соответственно, смеситель, один вход которого связан с выходом эжектора, второй - с окружающей средой и выход - через впускной клапан с цилиндром низкого сжатия. Система питания цилиндра низкого сжатия включает подкачивающий насос, вход которого связан с нижней частью бака, а выход с управляемой контроллером системой непосредственного впрыска жидкого топлива в цилиндр высокого сжатия. 1 ил.
Изобретение относится к области энергомашиностроения и может быть использовано в качестве двигателя в приводах различных транспортных средств и других подвижных или стационарных потребителей механической энергии (генераторы, помпы, компрессоры и т.п.).
Известны двигатели внутреннего сгорания, использующие в качестве топлива диметиловый эфир (ДМЭ). (Льотко В., Луканин В.Н., Хачиян А.С. Применение альтернативных топлив в двигателях внутреннего сгорания. - М., 2000, стр. 215, рис. 3.2). Эти двигатели обладают малой токсичностью, но их применение связано с рядом затруднений, определяемых свойствами ДМЭ, к числу которых относятся: низкая температура кипения, невысокая удельная теплота сгорания, отсутствие смазывающих свойств.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является двигатель внутреннего сгорания по авт. свидетельству СССР №128231, Кл. 46а2, содержащий спарку сообщающихся цилиндров, запитываемых от раздельных источников питания, и кривошипно-шатунный механизм, обеспечивающий определенное опережение движения поршня одного цилиндра, названного цилиндром низкого сжатия, относительно поршня другого цилиндра, названного цилиндром высокого сжатия.
Указанный двигатель позволяет добиться высоких энергетических показателей, определяемых результирующей степенью сжатия 11-12 при начальной 6-7 и коэффициентом избытка воздуха до 2,4 (Кушуль В.М. Новый тип двигателя внутреннего сгорания. Л.: Судостроение, Л. 1965, с.10). Однако этот двигатель с принудительным зажиганием в качестве топлива может использовать только различные сорта бензина и в виде исключения дизельное топливо, но функционировать на альтернативном, в том числе легкокипящем топливе, которым является ДМЭ, не может.
Задача изобретения заключается в создании двигателя внутреннего сгорания, обеспечивающего преодоление негативных свойств ДМЭ как моторного топлива и получение конструкции с высокими экологическим, энергетическими и эксплуатационными характеристиками.
Поставленная задача решается посредством того, что двигатель внутреннего сгорания содержит топливный бак, заполненный легкокипящей жидкостью (например, ДМЭ) с регулируемым нагревательным устройством, обеспечивающим постоянный, определенный уровень температуры внутри бака, сообщающиеся цилиндры низкого и высокого сжатия, связанные с топливным баком раздельными системами питания, при этом система питания цилиндра низкого сжатия включает управляемый контроллером электромагнитный клапан, установленный в верхней части бака, нерегулируемый эжектор, активное и пассивное сопла которого соединены с выходом электромагнитного клапана и с окружающей средой соответственно, смеситель, один вход которого связан с выходом эжектора, второй - окружающей средой и выход - через впускной клапан с цилиндром низкого сжатия, а система питания цилиндра высокого сжатия включает подкачивающий насос, вход которого связан с нижней частью бака, а выход - с управляемой контроллером системой непосредственного впрыска жидкого топлива в цилиндр высокого сжатия.
На чертеже приведена принципиальная схема двигателя внутреннего сгорания. Названный двигатель содержит спарку цилиндров, включающую цилиндр низкого сжатия 1 и цилиндр высокого сжатия 2 с кривошипно-шатунным механизмом 3, обеспечивающим опережающее движение поршня в цилиндре 1 по сравнению с цилиндром 2, при этом цилиндры 1 и 2 соединены каналом 4, тангенциально расположенным в их верхней части. Цилиндр 1 запитывается газовой фазой топлива из бака 5 через электромагнитный клапан 6, управляемый контроллером 7, связанный трубопроводом 8 с активным соплом 9 эжектора 10, пассивное сопло которого 11 сообщено с воздухом окружающей среды, а выход эжектора 12 связан с входом 13 смесителя 14, на другой вход которого 15 поступает воздух из окружающей среды. Выход смесителя 14 через впускной клапан 16 связан с цилиндром низкого сжатия 1, в котором расположена свеча зажигания 17. В цилиндр 2 топливо подается в жидкой фазе из нижней части бака 5 через подкачивающий насос 18 и систему непосредственного впрыска 19, управляемую контроллером 7. Воздух в цилиндр 2 поступает через впускной клапан 20. Топливный бак 5, питающий цилиндр 1 газовой, а цилиндр 2 - жидкой фазой, содержит регулируемое контроллером 7 нагревательное устройство 21, поддерживающее заданный уровень температуры топлива.
Двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом.
В топливном баке 5 находится ДМЭ под давлением 0,5-1 МПа, что обеспечивает нахождение топлива в состоянии влажного насыщенного пара с температурой 20-25°С. В баке 5 с помощью нагревательного устройства 21 устанавливается определенная постоянная температура (например, 50°С) и соответствующее ей давление насыщения (1,1 МПа). При работе двигателя в результате движения кривошипно-шатунного механизма 3 поршни в цилиндре 1 и 2 перемещаются к нижней мертвой точке и в цилиндр 2 через впускной клапан 20 поступает воздух из окружающей среды, а цилиндр 1 запитывается через клапан 16 смесью ДМЭ с воздухом, образовавшейся в результате срабатывания под действием контроллера 7 электромагнитного клапана 6 и подачи газовой фазы топлива в эжектор 10 и затем в смеситель 14. В эжекторе 10 к ДМЭ подмешивается 10-20% воздуха, а в смесителе обеспечивается получение обогащенной смеси с α=0,8-0,9. После наполнения цилиндров 1 и 2 впускные клапаны 16 и 20 закрываются и происходит сжатие рабочего тела в цилиндрах. При этом в цилиндр 2 системой непосредственного впрыска 19 подается порция жидкой фазы топлива, масса и момент подачи которой определяются режимом работы двигателя. В результате в цилиндрах 1 и 2 образуется существенно неоднородная смесь: обогащенная в цилиндре 1 и обедненная в цилиндре 2 так, что общий коэффициент избытка воздуха α=1-3 в зависимости от режима работы двигателя. При достижении поршнем цилиндра 1 (он движется с опережением по отношению к поршню цилиндра 2) окрестности верхней мертвой точки срабатывает свеча зажигания 17 и начинается процесс горения рабочего тела в цилиндре 1 с последующим расширением. При этом степень сжатия рабочего тела в цилиндре составляет ε=5-6, что делает невозможным процесс самовоспламенения ДМЭ, имеющего достаточно низкую температуру самовоспламенения (t=260°C). При расширении рабочего тела в цилиндре 1 в цилиндре 2 продолжается сжатие, в результате которого рабочее тело из цилиндра 2 через канал 4 поступает в цилиндр 1, где участвует в процессе горения. Отсутствие камеры сгорания в цилиндре 2 приводит к тому, что общая степень сжатия, реализуемая спаркой цилиндров 1 и 2, составляет 11-12. При последующих циклах работы двигателя постоянный уровень давления топлива в баке 5 будет сохраняться с заданной точностью. Постоянство давления обеспечивается в связи с тем, что при выпуске порции топлива через клапан 6 давление в баке первоначально упадет, упадет также и температура. В результате от нагревательного устройства 21 к топливу будет передан тепловой поток и жидкая фаза его закипит, восстанавливая давление насыщения, соответствующее выбранному уровню температуры. Таким образом, работа двигателя в последующих циклах не будет отличаться от описанной ранее. Использование предложенного двигателя позволит:
- обеспечить высокие экологические характеристики (за счет применения экологически чистого топлива и реализации процесса горения при α=1-3);
- обеспечить высокие энергетические характеристики (за счет реализации степени сжатия ε=11-12 и отсутствия дросселирующих устройств во впускных магистралях);
- обеспечить высокие эксплуатационные характеристики (за счет исключения из системы подачи жидкой фазы холодильников и устройств с прецизионными парами, требующими смазки (топливный насос высокого давления, форсунки), а из системы подачи газовой фазы - газовых регуляторов давления).
Двигатель внутреннего сгорания, содержащий спарку сообщающихся цилиндров, имеющих раздельные системы питания, и кривошипно-шатунный механизм, обеспечивающий определенное опережение движения поршня одного цилиндра, названного цилиндром низкого сжатия, относительно поршня другого цилиндра, названного цилиндром высокого сжатия, отличающийся тем, что в него дополнительно введены регулируемое нагревательное устройство, управляемый электромагнитный клапан, эжектор, смеситель, подкачивающий насос, управляемая система непосредственного впрыска, контроллер, а системы питания обоих цилиндров содержат топливный бак, заполненный легкокипящей жидкостью (например ДМЭ), с регулируемым контроллером нагревательным устройством, обеспечивающим постоянный уровень температуры внутри бака, при этом система питания цилиндра низкого сжатия включает управляемый контроллером электромагнитный клапан, установленный в верхней части бака, нерегулируемый эжектор, активное и пассивное сопла которого соединены с выходом электромагнитного клапана и с окружающей средой соответственно, смеситель, один вход которого связан с выходом эжектора, второй - с окружающей средой и выход через впускной клапан - с цилиндром низкого сжатия, а система питания цилиндра низкого сжатия включает подкачивающий насос, вход которого связан с нижней частью бака, а выход с управляемой контроллером системой непосредственного впрыска жидкого топлива в цилиндр высокого сжатия.
