Многотопливный дизельный двигатель повышенной мощности

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к многотопливным двигателям. Изобретение позволяет повысить мощность многотопливного дизельного двигателя. Многотопливный дизельный двигатель повышенной мощности содержит блок цилиндров с картером, газораспределительный механизм, кинематически связанный с кривошипно-шатунным механизмом, систему воздухоподготовки с регенератором, воздушный циклон, связанный с системой выпуска, системы питания, охлаждения, смазки, запуска и управления. Заявляемый двигатель объединяет в себе основной двухтактный и дополнительный двухтактный двигатели. Цилиндр каждого из этих двигателей содержит два впускных канала, размещенных симметрично один над другим на некотором расстоянии друг от друга, входные отверстия которых соединены с нагнетателем воздуха. Соосно нижнему впускному каналу на противоположной стороне цилиндра выполнен выпускной канал, выходное отверстие которого через глушитель связано о атмосферой. В нижней части цилиндра установлен упор в форме закругленной спереди пластины. В средней части цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен стопор в форме цилиндрического стержня, нагруженного пружиной. В средней части цилиндра установлена также форсунка дополнительного двигателя, соединенная с выходным штуцером дополнительного насоса высокого давления, подключенного к напорной и сливной магистралям топливной системы. Кроме того, в цилиндр вставлен наружный поршень с элементами уплотнения, выполненный в форме перевернутого стакана и закрытого в нижней части крышкой в форме кольца с пазом, имеющего в средней части впускное и выпускное окна, в верхней части отверстие для стопора и в донной части Г-образный канал, один конец которого открывается внутрь поршня, а другой выходит на его боковую поверхность. На нижней части поршня выполнено отверстие, соединенное с продольным пазом, кроме того, внутрь наружного поршня вставлен внутренний поршень с элементами уплотнения, соединенный шатуном с кривошипом коленчатого вала и имеющий в средней части поперечный канал, в который вставлен круглый цилиндрический стопор, нагруженный пружиной и взаимодействующий с отверстием, соединенным с продольным пазом наружного поршня. Между внутренней поверхностью дна наружного поршня, его боковыми стенками и днищем внутреннего поршня образована камера сгорания дополнительного двигателя, которая через Г-образный канал наружного поршня и наклонный канал цилиндра соединена с форсункой дополнительного двигателя. Цилиндр закрыт крышкой, имеющей выпускной канал с выпускным клапаном. Выпускной канал через распределительный кран соединен с воздушным циклоном и глушителем, а выпускной клапан кинематически связан с распределительным валом. Днище наружного поршня, стенки и крышка цилиндра образуют камеру сгорания основного двигателя и на последней закреплена форсунка. Форсунка соединена с выходным штуцером основного насоса высокого давления, подключенного к напорной и сливной магистралям топливной системы. Рубашка охлаждения воздушного циклона посредством трубопроводов соединена с регенератором нагнетателя воздуха. 1 з.п. ф-лы, 16 ил.

 

Настоящее изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в качестве теплового двигателя.

Известен двухтактный дизельный двигатель 37Д, содержащий блок цилиндров с картером, закрытый крышкой, в отверстиях которой установлены форсунки, кривошипный механизм, газораспределительный механизм, воздушный нагнетатель, насос высокого давления, выходные штуцеры которого посредством трубопроводов соединены с форсунками, системы питания, охлаждения, смазки и запуска, пост управления /С.И.Прасолов, М.Б.Амитин, Устройство подводных лодок. Военное издательство Министерства обороны СССР, М., 1973, с.254-242/.

Недостатками известного дизельного двигателя являются недостаточная мощность, большие тепловые потери, большой расход органического топлива, значительный шум, загрязнение окружающей среды выхлопными газами.

Указанные недостатки обусловлены конструкцией двигателя.

Известен также тепловой двигатель, содержащий блок цилиндров с картером, закрытый крышкой, в отверстия которой вставлены форсунки, кривошипно-шатунный механизм, воздушный регенератор, воздушный нагнетатель, который через воздушный регенератор соединен с впускными окнами цилиндров, воздушный циклон, который через регенератор и охладитель соединен а атмосферой и накопительным баком, системы питания, охлаждения, смазки и запуска, механизм управления. Рабочее тело двигателя - легкокипящая жидкость /Патент РФ №2151048, кл. F 02 В 45/12, опубл. 27.05.99. Бюл. №15/.

Известный тепловой двигатель по патенту РФ №2151048, как наиболее близкий по технической сущности и достигаемому полезному результату, принят за прототип.

Недостатком известного теплового двигателя, принятого за прототип, является недостаточная мощность.

Указанный недостаток обусловлен небольшой степенью сжатия воздуха и его низкой температурой в цилиндре и конструкцией самого двигателя.

Целью настоящего изобретения является повышение мощности дизельного двигателя.

Указанная цель обеспечивается тем, что согласно изобретению блок цилиндров с поршнями заменены блоком цилиндров, каждый из которых содержит два впускных канала, размещенных симметрично один над другим, на некотором расстоянии друг от друга, входные отверстия которых соединены с нагнетателем воздуха, причем соосно нижнему впускному каналу на противоположной стороне цилиндра выполнен выпускной канал, выходное отверстие которого через глушитель связано с атмосферой, причем в нижней части цилиндра установлен упор в форме закругленной спереди пластины, а в средней части цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен стопор в форме цилиндрического стержня, нагруженного пружиной, в средней части цилиндра установлена также форсунка дополнительного двигателя, причем блок цилиндров закрыт крышкой, имеющей выпускные каналы с выпускными клапанами, при этом выпускной канал через распределительный кран соединен с воздушным циклоном и глушителем, а каждый выпускной клапан кинематически связан с распределительным валом, причем рубашка охлаждения воздушного циклона посредством трубопроводов соединена с регенератором нагнетателя воздуха, кроме того, в отверстиях крышки блока цилиндров установлены форсунки, соединенные трубопроводами с выходными штуцерами насоса высокого давления, подключенного к напорной и сливной магистралям топливной системы наружными поршнями с элементами уплотнения, вставленными в цилиндры, каждый из которых выполнен в форме перевернутого стакана и закрытого в нижней части крышкой в форме кольца с пазом, имеющего в средней части впускное и выпускное окна, в верхней части отверстие для стопора и в донной части Г-образный канал, один конец которого открывается внутрь наружного поршня, а другой выходит на его боковую поверхность, кроме того, на нижней части наружного поршня выполнено отверстие, соединенное с продольным пазом, причем крышка, стенки цилиндра и донная часть наружного поршня образуют камеру сгорания основного двигателя, внутренними поршнями с элементами уплотнения, каждый из которых вставлен внутрь наружного поршня, имеет в передней части поперечный канал, в который вставлен круглый цилиндрический стопор, нагруженный пружиной и взаимодействующий с отверстием, соединенным с пазом наружного поршня и соединенного посредством шатуна с кривошипом коленчатого вала, причем между днищем внутреннего поршня, днищем наружного поршня и его стенками образована камера сгорания дополнительного двигателя, которая через Г-образный канал наружного поршня и наклонный канал цилиндра соединена в форсункой дополнительного двигателя, дополнительным насосом высокого давления, выходные штуцеры которого посредством трубопроводов соединены с форсунками дополнительного двигателя, и подключенного к напорной и сливной магистралям топливной системы, причем рабочим телом дополнительного двигателя является дизельное топливо, а рабочим телом основного двигателя является дизельное топливо, или дистиллированная вода, или легкокипящая жидкость.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид дизельного двигателя, на фиг.2 - вид на дизельный двигатель сверху, на фиг.3 - общая схема дизельного двигателя, на фиг.4 - устройство воздушного циклона, на фиг.5 - устройство внутреннего поршня, на фиг.6 - вид на внутренний поршень сверху, на фиг.7 - общий вид наружного поршня с частичным разрезом, на фиг.8 - вид на наружный поршень справа, на фиг.9 - общий вид крышки наружного поршня, на фиг.10 - кинематическая схема дизельного двигателя, на фиг.11-14 - схема работы дизельного двигателя, на фиг.15 - схема управления дизельным двигателем, на фиг.16 - диаграмма работы дизельного двигателя.

Многотопливный четырехцилиндровый двухтактный двигатель повышенной мощности объединяет в себе основной двухтактный двигатель и дополнительный двухтактный двигатель и содержит блок цилиндров, в котором размещены цилиндры 1, 2, 3, 4, соединенный с картером 5, в подшипниках которого установлен коленчатый вал 6, крышку картера 7. Все цилиндры одинаковы по конструкции. Каждый цилиндр содержит рубашку охлаждения 8, два воздушных впускных канала - верхний 9 и нижний 10, размещенных симметрично один над другим, на некотором расстоянии друг от друга, входные отверстия которых связаны с нагнетателем воздуха 11, имеющим воздушный фильтр 12. Впускной коллектор 13 соединяет впускные каналы цилиндров с воздушным нагнетателем. На противоположной стороне цилиндра соосно с нижним впускным каналом расположен выпускной канал 14, соединенный через выпускной коллектор 15 и глушитель 16 с атмосферой. В нижней части цилиндра установлен упор 17 в форме закругленной впереди пластины. Внутрь цилиндра вставлен наружный поршень 18 с элементами уплотнения, выполненный в форме перевернутого стакана, закрытого снизу крышкой 19 в форме кольца, имеющего прорезь 20. В верхней части наружный поршень имеет Г-образный канал 21, связанный через наклонный канал 22 в стенке цилиндра с форсункой 23 дополнительного двигателя, которая трубопроводом соединена с выходным штуцером дополнительного насоса высокого давления 24, подключенного к напорной и сливной магистралям топливного насоса 25 системы писания, имеющей топливный бак 26. В средней части наружный поршень имеет впускное окно 27 и выпускное окно 28 для впуска воздуха и выпуска отработанных газов из камеры сгорания 29 дополнительного двигателя, образованной внутренней поверхностью днища наружного поршня и его боковыми стенками, а также днищем внутреннего поршня. В низшей части наружного поршня выполнено отверстие 30, через диаметр которого проходит продольный паз 31, в который входит упор, установленный в нижней части цилиндра. В верхней части наружного поршня выполнено отверстие 32, в которое входят стопор 33, установленный в стенке цилиндра и нагруженный пружиной 34. В верхней части цилиндр закрыт крышкой 35, имеющей рубашку охлаждения 36, выпускной канал 37 с выпускным клапаном 38. Выпускной канал через распределительный кран 39 соединен с выпускным коллектором, глушителем и воздушным циклоном 40, выходной патрубок которого через распределительный кран 41 соединен с накопительным баком 42 и атмосферой. Кроме того, в отверстии крышки закреплена форсунка 43 основного двигателя, связанная с камерой сгорания 44, образованной крышкой цилиндра, его стенками и днищем наружного поршня, причем форсунка посредством трубопровода соединена с выходным штуцером основного насоса высокого давления 45, подключенного к напорной и сливной магистралям топливного насоса 46 системы питания, имеющей топливный бак 47. Внутрь наружного поршня вставлен внутренний поршень 48 с элементами уплотнения, имеющий в средней части поперечный канал, в который вставлен круглый цилиндрический стопор 49, нагруженный пружиной 50 и взаимодействующий с отверстием наружного поршня, через диаметр которого проходит продольный паз. Внутренний поршень посредством шатуна 51 соединен с кривошипом 52, коленчатого вала, в передней части которого закреплен маховик 53, зубчатый венец которого взаимодействует с шестерней 54 стартера 55, и шестерня 56 привода топливных насосов и нагнетателя воздуха. В задней части коленчатого вала закреплены шестерни 57, 58 привода водяного 59 и масляного 60 насосов, а также распределительного вала 61, имеющего кулачки 62, которые через штанги 63 открывают выпускные клапаны. В средней части распределительного вала закреплена шестерня 64, которая входит в зацепление с шестерней 65 привода основного и дополнительного насосов высокого давления. Воздушный циклон содержит корпус 66 с рубашкой охлаждения 67, имеющей фланцы 68, 69, которые посредством трубопроводов соединены с регенератором 70, установленным внутри воздушного нагнетателя. В верхней части воздушный циклон содержит впускной канал 71, соединенный со спиральным каналом, образованным спиральными ребрами 72 и выхлопной трубой 73, входное отверстие которой расположено внутри воздушного циклона, а выходное - снаружи. Внизу корпус воздушного циклона заканчивается выпускным патрубком 74. Система управления двигателем содержит ручку управления 75, закрепленную на оси, установленную на подшипниках, на которой также закреплены две шестерни 76, 77 разного диаметра. Зубчатый венец малой зубчатой шестерни входит в зацепление с зубчатой рейкой 78 тяги 79, имеющей на другом конце зубчатую рейку 80, входящую в зацепление с шестерней 81 изменения подачи топлива дополнительным насосом высокого давления. Зубчатый венец большой шестерни входит в зацепление с зубчатой рейкой 82 тяги 83, имевшей на другом конце зубчатую рейку 84, входящую в зацепление с зубчатой шестерней 85 регулирования подачи топлива основного насоса высокого давления. Рабочим телом дополнительного двигателя является дизельное топливо. Рабочим телом основного двигателя является дистиллированная вода или легкокипящая жидкость декафторбутан (С₄F₁₀), перфторгексан (С₆F₁₄) или дизельное топливо.

На диаграмме, представленной на фиг.16, цифрами обозначено: 86 - выпуск отработанных газов и впуск воздуха в дополнительном двигателе, 87 - сжатие воздуха в дополнительном двигателе, 88 - впрыск топлива в дополнительном двигателе, 89 - рабочий ход в дополнительном двигателе, 90 - холостой ход в дополнительном двигателе, 91 - выпуск отработанных газов и впуск воздуха в основном двигателе, 92 - сжатие воздуха в основном двигателе, 95 - впрыск топлива в основном двигателе и 94 - рабочий ход в основном двигателе.

Работа многотопливного дизельного двигателя повышенной мощности

Перед запуском двигателя необходимо проверить исправность его систем. Затем повернуть ручку 75 против часовой стрелки. Зубчатый венец малой шестерня 77 войдет в зацепление с зубчатой рейкой 78 тяги 79, которая переместится вправо и посредством зубчатой рейки 80 повернет зубчатую шестерню 81 дополнительного насоса высокого давления 24, установив необходимую величину постоянной подачи топлива. При дальнейшем повороте ручки 75 зубчатый венец малой шестерни 77 выходит из зацепления с зубчатой рейкой 78, а зубчатый венец большой шестерни 76 входит в зацепление с зубчатой рейкой 82. Тяга 83 перемещается вправо и зубчатая рейка 84 поворачивает зубчатую шестерню 85 основного насоса высокого давления 45, устанавливая необходимую величину подачи топлива. Включается стартер 55, зубчатая шестерня 54 входит в зацепление с зубчатым венцом маховика 55 и поворачивает коленчатый вал 6. Двигатель запускается и работает следующим образом. В исходном положении (фиг.3) внутренний поршень 48 находится в нижней мертвой точке. Упор 17 утопил круглый цилиндрический стопор 49 внутрь внутреннего поршня 48, отсоединив его от наружного поршня 18, сжав пружину 50, Наружный поршень 18 также находится в нижней мертвой точке и зафиксирован неподвижно стопором 33, который под действием пружины 34 входит в отверстие 32 наружного поршня 18. Нагнетатель воздуха 11 через воздушный фильтр 12 засасывает из атмосферы воздух и подает его через каналы 9 и 10 в камеру сгорания 29 дополнительного двигателя и в камеру сгорания 44 основного двигателя. При этом выпускной клапан 38 и выпускной канал 14 открыты и воздух через глушитель 16 выходит в атмосферу, вытесняя отработанные газы, Отработанные газы из камеры сгорания 44 могут выходить в зависимости от положения золотника распределительного крана 59 и через воздушный циклон 40. На диаграмме обозначено цифрами 86 и 91. Коленчатый вал 6 вращается в направлении, показанном стрелкой. Внутренний поршень 48 начинает движение вверх, перекрывает впускное окно 27 и выпускное окно 28 наружного поршня 18, сжимая находящийся в нем воздух. На диаграмме обозначено цифрой 87. Степень сжатия 30-40 кг/см². Температура воздуха повышается до 530-680°С. Как только внутренний поршень 48 достигнет точки, соответствующей повороту коленчатого вала 170 градусов, внутрь камеры сгорания через наклонный канал 22, Г-образный канал 21 дополнительной форсункой 23 впрыскивается дизельное топливо. На диаграмме обозначено цифрой 88, внутренний поршень 48 при этом занимает положение, показанное на фиг.12. От высокой температуры дизельное топливо воспламеняется. Образовавшиеся газы расширяются и нажимают на стопор 33, сжимая пружину 34 и освобождая наружный поршень 18, который под действием газов движется вверх, перекрывает впускной канал 9, выпускной клапан 38 при этом закрыт, и с большой силой сжимает воздух в камере сгорания 44 основного двигателя. На диаграмме обозначено цифрой 92. Степень сжатия 120-130 кг/см². Воздух нагревается до температуры 1500-1700°С. Посредством основной форсунки в камеру сгорания 44 впрыскивается топливо. На диаграмме показано цифрой 93. В момент, когда внутренний 48 и наружный 18 поршни находятся в верхней мертвой точке (фиг.13), круглый цилиндрический стопор 49 под действием пружины 50 входит в отверстие 32, соединяя вместе оба поршня. Топливо в камере сгорания 44 воспламеняется и образовавшиеся газы производят давление до 300 кг/см² при температуре 2500-2900°С на дно наружного поршня 18, заставляя его вместе с внутренним поршнем 48 двигаться вниз, передавая усилие через шток 51 на кривошип 52 коленчатого вала 6, заставляя последний вращаться, совершая при этом рабочий ход в основном двигателе. Внутренний поршень в этот момент совершает холостой ход. На диаграмме обозначено цифрами 94 и 90. Как только внутренний 48 и наружный 18 поршни займут положение, показанное на фиг.3, они разделяются друг с другом, а наружный поршень фиксируется неподвижно и все повторяется сначала (фиг.11). Если в качестве рабочего тела в основном двигателе используется дистиллированная вода, то золотник распределительного крана 39 должен находиться в положении, показанном на фиг.3, а золотник распределительного крана 41 поворачивают на 90 градусов по часовой стрелке от положения, показанного на фиг.3. Дистиллированная вода, подаваемая основной форсункой 43 в камеру сгорания 44 основного двигателя, от высокой температуры мгновенно испаряется и пар давит на наружный поршень 18, заставляя его вместе с внутренним поршнем 48 двигаться вниз и совершать рабочий ход. В момент открытия впускного канала 9 и выпускного клапана 38 отработавший пар через распределительный кран 39 поступает в воздушный циклон 40, где совершает вращательное движение, двигаясь по спиральному каналу и отдавая тепло стенкам, нагревая воду в рубашке охлаждения 67. Затем сконденсированная вода и максимально охлажденная через распределительный кран 41 вытекает наружу, а воздух через выхлопную трубу 73 выходит в атмосферу. Нагретая в рубашке охлаждения 67, вода поступает в регенератор 70 воздушного нагнетателя 11 и нагревает воздух, поступающий в цилиндры двигателя. При работе основного двигателя на легкокипящих жидкостях последние посредством основной форсунки 43 подаются в камеру сгорания 44. Вследствие высокой температуры легкокипящие жидкости мгновенно испаряются и создают высокое давление. Внутренний 48 и наружный 18 поршни двигаются вниз, совершая рабочий и холостой ход. После открытия впускного канала 9 и выпускного клапана 38 отработанная смесь из камеры сгорания 44 черва распределительный кран 39 (положение золотника показано на фиг.3) поступает в воздушный циклон 40, где происходит охлаждение смеси и отделение легкокипящей жидкости от воздуха под действием центробежной силы. Воздух по выхлопной трубе 73 выходит в атмосферу, а легкокипящая жидкость через распределительный кран 41 (положение золотника его показано на фиг.3) поступает в накопительный бак 42 и затем после ее очистки может быть вновь использована. Ввиду того, что степень сжатия в камере сгорания 44 основного двигателя намного выше, чем в камере сгорания 29 дополнительного двигателя основной насос высокого давления 45 должен создавать более высокое давление впрыска. Таким образом назначение дополнительного двигателя - создать при малых затратах в камере сгорания основного двигателя сверхвысокое давление воздуха и значительно более высокую температуру с целью значительного повышения мощности основного двигателя. Подача топлива в дополнительном двигателе постоянна, а в основном двигателе может изменяться в больших пределах посредством ручки 75. Для остановки двигателя необходимо прекратить подачу топлива в оба двигателя, повернув ручку 75 по часовой стрелке до отказа, и прекратить подачу воздуха заслонкой, не показанной на чертеже, Предлагаемый двигатель может быть использован на судах, тепловозах, дизель-генераторных установках.

Положительный эффект: более высокая мощность на валу при меньших размерах двигателя, более высокий КПД, экономия дизельного топлива, меньшее загрязнение окружающей среды выхлопными газами вследствие более полного сгорания топлива.

1. Многотопливный дизельный двигатель повышенной мощности, содержащий блок цилиндров с картером, кривошипно-шатунный механизм, газораспределительный механизм, кинематически связанный с кривошипно-шатунным механизмом, систему воздухоподготовки с регенератором, воздушный циклон, связанный с системой выпуска, системы питания, охлаждения, смазки, запуска и управления, отличающийся тем, что объединяет в себе основной двухтактный и дополнительный двухтактный двигатели, цилиндр каждого из которых содержит два впускных канала, размещенных симметрично один над другим на некотором расстоянии друг от друга, входные отверстия которых соединены с нагнетателем воздуха, причем соосно нижнему впускному каналу на противоположной стороне цилиндра выполнен выпускной канал, выходное отверстие которого через глушитель связано с атмосферой, причем в нижней части цилиндра установлен упор в форме закругленной спереди пластины, а в средней части цилиндра выполнено отверстие, в которое вставлен стопор в форме цилиндрического стержня, нагруженного пружиной, в средней части цилиндра установлена также форсунка дополнительного двигателя, соединенная с выходным штуцером дополнительного насоса высокого давления, подключенного к напорной и сливной магистралям топливной системы, кроме того в цилиндр вставлен наружный поршень с элементами уплотнения, выполненный в форме перевернутого стакана и закрытого в нижней части крышкой в форме кольца с пазом, имеющего в средней части впускное и выпускное окна, в верхней части отверстие для стопора и в донной части Г-образный канал, один конец которого открывается внутрь поршня, а другой выходит на его боковую поверхность, и на нижней части поршня выполнено отверстие, соединенное с продольным пазом, кроме того, внутрь наружного поршня вставлен внутренний поршень с элементами уплотнения, соединенный шатуном с кривошипом коленчатого вала и имеющий в средней части поперечный канал, в который вставлен круглый цилиндрический стопор, нагруженный пружиной и взаимодействующий с отверстием, соединенным с продольным пазом наружного поршня, причем между внутренней поверхностью дна наружного поршня, его боковыми стенками и днищем внутреннего поршня образована камера сгорания дополнительного двигателя, которая через Г-образный канал наружного поршня и наклонный канал цилиндра соединена с форсункой дополнительного двигателя, кроме того цилиндр закрыт крышкой, имеющей выпускной канал с выпускным клапаном, причем выпускной канал через распределительный кран соединен с воздушным циклоном и глушителем, а выпускной клапан кинематически связан с распределительным валом, причем днище наружного поршня, стенки и крышка цилиндра образуют камеру сгорания основного двигателя, и на последней закреплена форсунка, соединенная с выходным штуцером основного насоса высокого давления, подключенного к напорной и сливной магистралям топливной системы, кроме того рубашка охлаждения воздушного циклона посредством трубопроводов соединена с регенератором нагнетателя воздуха.

2. Многотопливный дизельный двигатель повышенной мощности по п.1, отличающийся тем, что рабочим телом дополнительного двигателя является дизельное топливо, а рабочим телом основного двигателя является дизельное топливо или дистиллированная вода или легкокипящая жидкость.