Автономный поршень бинарного двигателя внутреннего сгорания
Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является сокращение осевого размера и уменьшение массы автономного поршня и направлено на повышение эффективности работы бинарного ДВС. Сущность изобретения заключается в том, что из состава элементов автономного поршня исключен упругий элемент. Прижатие шайбы к торцевой полке для разобщения камер и перевод шайбы во взвешенное положение для сообщения камер осуществляются за счет разности площадей, открытых для воздействия рабочих тел каждой из камер по обе стороны шайбы, при ее положении на полке со стороны камеры нагнетания. Возвращение шайбы на полку в процессе сгорания обеспечивается подбором диаметра и длины каналов, а также степени перфорации шайбы. Причем диаметры шайбы D и расточки торцевой полки корпуса со стороны камеры нагнетания Dcb связаны с перепадом давления Δрср в камерах, при котором начинается сообщение камер, условием:
где pкс - давление среды, заполняющей камеру сгорания до перехода автономного поршня из режима разобщения в режим сообщения камер. Кроме того, суммарная площадь проходных сечений каналов S, перфорирующих шайбу, выбирается из условия: 0,01≤s/S<0,4, где S - площадь шайбы. 2 ил.
Изобретение относится к области разработки и создания поршневых двигателей внутреннего сгорания, а именно бинарных ДВС, у которых рабочий объем цилиндра разделен на две изолированные друг от друга камеры автономным поршнем, не связанным с валом двигателя.
Известно устройство автономного поршня бинарного ДВС, который разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания и состоит из корпуса, представляющего полый цилиндр с концентрическими торцевыми полками, ограничивающими его внутреннюю полость со стороны камеры нагнетания и со стороны камеры сгорания, в которой располагаются шайба, перфорированная сквозными каналами, и упругий элемент, обеспечивающий, при соответствующих перепадах давлений между камерами прижатие шайбы к торцевой полке со стороны камеры нагнетания для разобщения камер, перевод шайбы во взвешенное положение для сообщения камер, возвращение шайбы на полку для разобщения камер. Указанное устройство описано в патенте №2146007 от 27.02.2000 г. МПК F02В 3/4, 25/10 и принято за прототип.
Недостатком прототипа является наличие упругого элемента в виде цилиндрической пружины, что увеличивает размер и массу автономного поршня, а так же ограничивает время подачи свежей порции окислителя в камеру сгорания из-за преждевременного возвращения шайбы на торцевую полку со стороны камеры нагнетания. Отмеченные недостатки обуславливают ограничение работоспособности двигателя.
Целью изобретения является сокращение размера и массы автономного поршня и увеличение времени на подачу свежей порции окислителя в камеру сгорания.
Указанная цель достигается тем, что из устройства исключен упругий элемент, а его функции выполняют рабочие тела, находящиеся в камерах нагнетания и сгорания, при этом прижатие шайбы к полке и перевод ее во взвешенное состояние обеспечивается за счет разности площадей открытых для воздействия сред по обе стороны шайбы при ее положении на полке со стороны камеры нагнетания, а своевременное возвращение шайбы на полку в процессе сгорания обеспечивается подбором диаметра и длины каналов, а так же степени перфорации шайбы.
На фиг.1 представлено устройство предлагаемого автономного поршня. Здесь 1 - корпус поршня; 2 - шайба; 3 - каналы, перфорирующие шайбу; 4 - торцевая полка корпуса поршня со стороны камеры нагнетания; 5 - упор; 6 - корпус цилиндра двигателя.
На фиг.2 представлена схема действия рабочих тел на шайбу со стороны каждой из камер. Здесь D - диаметр шайбы 2, DСВ -диаметр концентрической расточки торцевой полки 4 (диаметр в свету), рКН, FКН и рКС, FКС - давления сред и силы, действующие на шайбу со стороны камер нагнетания и сгорания соответственно.
На обеих фигурах левая половина рисунка представляет автономный поршень в период, когда шайба прижата к полке со стороны камеры нагнетания, т.е. при разобщении камер, а правая - когда шайба переведена во взвешенное положение, т.е. при сообщении камер.
Устройство работает следующим образом.
На шайбу 2 действуют силы, обусловленные давлением рабочих тел, находящихся в камерах. Так, со стороны камеры нагнетания действует сила FКН=рКН·SКН, а со стороны камеры сгорания действует сила FКС=рКС·SКС. Площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры сгорания равна площади самой шайбы S и остается постоянной при любом положении шайбы. Площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры нагнетания SКН, зависит от положения шайбы: в случае "взвешенного" положения шайбы 2, SКН=S и определяется диаметром самой шайбы D, а в случае положения шайбы на полке 4 SКН=SСВ и определяется диаметром расточки этой полки (диаметром в свету) DСВ.
В общем случае на шайбу действует результирующая сила
где сила FИН - обобщающая сила, учитывающая инерционные и гравитационные воздействия на шайбу. Поскольку в момент перехода поршня из режима разобщения в режим сообщения камер, FИН значительно меньше остальных сил, ее можно не учитывать. В этом случае результирующая сила определяется проще:
Из последнего выражения следует, что результирующая сила может иметь различный знак, т.е. различное направление относительно полки 4. При положительном значении сила F прижимает шайбу 2 к полке 4, а при отрицательном отжимает и стремится перевести шайбу 2 во взвешенное положение. В положении шайбы 2 на полке 4 каналы 3 перекрыты полкой 4 и камеры разобщены. При взвешенном положении шайбы открывается доступ свежей порции окислителя к каналам 3, по которым окислитель из камеры нагнетания поступает в камеру сгорания - камеры между собой сообщены.
Поэтому различные режимы работы автономного поршня можно выразить математически следующим образом:
- режим разобщения камер;
- режим сообщения камер, а переход поршня из режима разобщения камер в режим их сообщения происходит при:
Положительное значение результирующей силы F при взвешенном положении шайбы обеспечивается за счет положительной разности давлений (рКС-pКН)>0. При положении шайбы 2 на полке 4 положительное значение силы F может сохраняться и при отрицательной разности давлений (рКС-рКН)<0. В последнем случае необходимо соответствующим образом подобрать соотношение площадей шайбы, находящихся под воздействием рабочих тел со стороны камеры сгорания (SКС) и со стороны камеры нагнетания (SКН).
В момент, когда автономный поршень достигает упора, давление в камерах примерно одинаковое. В результате того, что площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры сгорания больше, чем площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры нагнетания, шайба продолжает прижиматься к торцевой полке. После того, как автономный поршень останавливается, давление в камере сгорания перестает расти, а в камере нагнетания давление продолжает увеличиваться. Через некоторое время наступает момент, когда FКН становится больше FКС и шайба начинает переходить во взвешенное положение. Такой момент отражен на фиг.2, а.
Если через ΔрСР обозначить перепад срабатывания, т.е. перепад давлений между камерами, при котором шайба переводится во взвешенное положение и происходит переход поршня с режима разобщения в режим сообщения камер, то условие срабатывания поршня можно представить как:
Знак ">" учитывает, при необходимости, наличие инерционной составляющей FИН.
Таким образом, при заданом давлении в камере сгорания рКС и выбранном перепаде срабатывания ΔрСР определяется геометрия торцевой полки автономного поршня со стороны камеры нагнетания, а именно диаметр ее расточки (диаметр в свету) DCB.
После того, как шайба переводится во взвешенное положение, площади, открытые для воздействия сред по обе стороны шайбы, становятся одинаковыми, равными S. В течение некоторого периода времени между камерами будет сохраняться отрицательный перепад давлений и поэтому шайба будет продолжать оставаться во взвешенном положении, а среда из камеры нагнетания по сквозным каналам 3 шайбы 2 будет поступать в камеру сгорания.
С началом процесса окисления давление в камере сгорания начнет повышаться. Возвращение шайбы на торцевую полку происходит при том же положении автономного поршня на упоре, когда в результате быстрого нарастания давления в камере сгорания в процессе основного тепловыделения, возникает положительный перепад давлений, действующих по разные стороны шайбы. Такой момент отражен на фиг.2, b.
При положительном перепаде давлений возможен обратный переток рабочего тела из камеры сгорания в камеру нагнетания. Для исключения такого негативного явления необходимо обеспечить своевременное возвращение шайбы 2 на полку 4. С этой целью достаточно согласовать скорость изменения давления в процессе сгорания с диаметром и длиной каналов, а так же со степенью перфорации шайбы s/S, где S - суммарная площадь проходных сечений каналов, перфорирующих шайбу.
Для законов тепловыделения существующих двигателей степень перфорации шайбы может изменяться в диапазоне:
Автономный поршень бинарного двигателя внутреннего сгорания, состоящий из корпуса, представляющего полый цилиндр с концентрическими торцевыми полками, ограничивающими внутреннюю полость со стороны камеры нагнетания и со стороны камеры сгорания, в которой располагается шайба, перфорированная сквозными каналами, с возможностью обеспечения при соответствующих перепадах давлений между камерами прижатие шайбы к торцевой полке со стороны камеры нагнетания для разобщения камер, перевод шайбы во взвешенное состояние для сообщения камер и возвращение шайбы на полку для разобщения камер, отличающийся тем, что прижатие шайбы к полке и перевод ее во взвешенное состояние обеспечиваются за счет разности площадей, открытых для воздействия сред по обе стороны шайбы при ее положении на полке со стороны камеры нагнетания, а возвращение шайбы на полку в процессе сгорания обеспечивается подбором диаметра и длины каналов, а также степени перфорации шайбы, причем диаметры шайбы D и расточки торцевой полки корпуса со стороны камеры нагнетания DCB связаны с перепадом давлений ΔрCP в камерах, при котором начинается сообщение камер, условием
где рКС - давление рабочего тела в камере сгорания перед началом сообщения камер,
рКН - давление рабочего тела, действующее на шайбу со стороны камеры нагнетания, а степень перфорации шайбы принимается в диапазоне значений
0,01≤s/S<0,4,
где s - суммарная площадь проходных сечений каналов, перфорирующих шайбу, а S - площадь этой шайбы.
