Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней. Двигатель без поршней


Двигатель без коленвала — разбираемся с механизмом + видео » АвтоНоватор

На протяжении многих лет инженеры старались представить, как должен работать супердвигатель без коленвала. Ведь это снизило бы расход топлива и степень негативных последствий постоянной вибрации в моторе. И это случилось, изобретение вызвало многочисленные дискуссии. Попробуем составить впечатление об этом агрегате.

Как зарождался современный ДВС?

Если сравнивать автомобиль с организмом человека, то именно движок будет выполнять роль сердца. Без него эксплуатация транспортного средства попросту невозможна. Само слово мотор в переводе с латыни означает приводить в движение. И если в двух словах, то это устройство отвечает за преобразование энергии от сгорания топлива в механическую, без которой автомобиль не заведется.

Мотор автомобиля

Впервые о подобном агрегате услышали в далеком 1801 году, а благодарить за это изобретение следует французского инженера Филиппа Лебона. А вот создателем образцов, наиболее близких по строению к современным моторам, считают немецкого инженера-самоучку Николауса Отто. О его достижениях мир узнал спустя более 70 лет, в 1877 году.

Французский инженер Филипп Лебон

За пять лет до этого Брайтон попытался воплотить в жизнь силовой агрегат, который будет работать на керосине, предыдущие устройства функционировали за счет газа. Попытка оказалась неудачной. Но в 1882 году жизнь получил новый агрегат, работающий на жидком топливе – бензине. И благодарить за его появление на свет человечество обязано немецкого конструктора, инженера и промышленника Готтлиба Даймлера.

Почему мы хотим избавиться от коленчатого вала?

Более двухсот лет прошло с момента появления первого силового агрегата, и с тех пор многое изменилось. Появились различные модификации, теперь они работают на бензине, солярке, газе, но неизменной осталась функция и роль мотора в строении авто. Однако значительный скачок приходится именно на наш век. Сегодня зарождаются новые технологии, и уже есть разработки двигателей без коленвала. Но как может мотор работать без этого узла?

Двигатель без коленвала

Если разобраться, традиционный кривошипно-шатунный механизм имеет ряд недостатков. Например, во время его работы создается очень сильное боковое усилие на стенки цилиндра. Это приводит к преждевременному износу поршня. Еще подобное усилие значительно увеличивает потери на трение, а значит, страдает КПД. Чтобы исключить этот недостаток, нужен механизм, в котором шатун будет совершать только возвратно-поступательные движения. А вот угловые качения следует полностью устранить. Сейчас можно найти множество разработок подобных агрегатов. Некоторые из них имеют право на существование, другие никуда не годятся.

Кривошипно-шатунный механизм

Основой многих изобретений выступает бесшатунный двигатель Баландина. Его работа заключается в преобразовании возвратно-поступательных движений благодаря специальному эксцентрическому механизму, к которому предъявляются очень высокие требования, что и мешает сделать мотор доступным.На сегодняшний день у инженеров получилось создать рабочий и прошедший все испытания двигатель, в котором уменьшили количество подшипников коленвала. Это двухпоршневые конструкции. И скорее всего в ближайшие годы этот образец будет пущен в массовое производство. Это, конечно, не воплотило мечту миллионов в реальность, но существенно приблизило нас к ней. А пока что ДВС без коленвала остается навязчивой идеей, и поиски решений продолжаются.

Как видит работу мотора без коленвала Баландин?

Рассмотрим основные элементы и принцип работы таких чудо-агрегатов. Идеально гладкий поршень, на поверхности которого нанесена специальная волнообразная выемка, насаживается на вал. Сюда фиксируется и золотник. Его крепят посредством болтового соединения. Сверху поршня надевается гильза. Вся конструкция помещается в корпус. В его верхней части предусмотрена специальная выемка, куда и устанавливается ролик, а затем она закрывается крышкой на болтах.

Имеется головка, в которую вставляется свеча зажигания. С боковой стороны устанавливается глушитель, который тоже фиксируется посредством четырех длинных болтов. С противоположного торца от головки устанавливается система зажигания и соединяется со свечей посредством тонких трубок. А рядом сбоку крепится карбюратор.

Свечи зажигания для мотора Баландин

Если желаете более наглядно ознакомиться с принципом работы двигателя без коленвала, видео с подробной схемой мы разместили чуть ниже, а сейчас опишем этот процесс в общих чертах. Поршень делает возвратно-поступательные движения. Вал и поршень имеют сквозные отверстия, расположенные в одной плоскости. В них вставляется цилиндр, благодаря которому обеспечивается жесткое соединение. Поэтому при вращении вала вокруг своей оси такие манипуляции испытывает и прикрепленная к нему деталь.

Топливо поступает из бензобака в карбюратор, где распыляется через специальный клапан и перемешивается с воздухом. Когда поршень движется в сторону головки, открывается впускное окно и топливно-воздушная смесь поступает в подпоршневое пространство. Затем окно закрывается, а горючее сжимается вследствие изменения движения детали в противоположную сторону. В это время открывается продувочное окно, и смесь поступает в камеру сгорания, где опять происходит ее сжатие, обусловленное движением поршня.

Поршни двигателя без коленвала

Когда поршень находится в крайнем положении, в камере возникает огромное давление и горючее воспламеняется. Этот мини-взрыв толкает поршень в противоположную сторону. Пройдя немного, он открывает канал, через который отработанные газы покидают камеру сгорания. И этот процесс циклично повторяется на протяжении всей работы движка.

Технически подкованным людям при просмотре видеодемонстрации наверняка бросаются в глаза некоторые слабые места такой разработки. И конструкторы продолжают искать пути к повышению надежности и устойчивости такого механизма. Анализ крупных салонов последнего десятилетия показывает, что гиганты автопрома усердно трудятся над совершенствованием мотора. Поэтому есть надежда, что двигатели внутреннего сгорания без коленвала совсем скоро получат реализуемую и надежную конструкцию и автопарк всего мира существенно изменится.

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

carnovato.ru

будет ли двиг работать без одного поршня? если его вытащить

Ебать ну ты спросил.... Ты еще движок вытащи и скажи, будет ли работать! ? В принцыпе будет но хуево!

Будет но постель коленвала быстро разобьёт и масло через клапана выкинет за пять минут

Будет. Но надо отключить подачу бензина в неработающий цилиндр, чтобы не разжижалось масло. Шатун лучше оставить, намотав на него тряпок.

Будет, но произойдет потеря мощности

будет но недолго

Равновесие нарушится. Тачка будет трястись, пердеть, и коленвал треснет, коробка развалится, бензин взорвётся

Пошутил, АДНАКА??? ? Вот бы поглядеть на это, знатоки!!!!

Поршень можно убрать убирая вместе с ним шатун, вкладыши и отключить подачу бензина в этот цилиндр (если машина инжекторная) . Или заткнуть канал коллектора (если карбюратор) . При этом двигатель будет постоянно вибрировать, создавать диссонанс деталей и узлов, отчего будет повышенный износ всех агрегатов двигателя. Если вы хотите испытать движение без поршня не вынимая его то просто выкрутите свечу из цилиндра.

без поршня и шатуна двигатель заведется, но не надолго произойдет взрыв паров масла в картере!

Если ты суицидник можешь попробовать, бензин будет поподать в масло и в определённый момент пары бензина могут загорется, соответственно произойдёт взрыв и потом ремонт будет очень дорого стоить. А двигатель без одного цилиндра работать будет, так-что не переживай, можешь даже прокатится. (Если всётаки решишь пробовать, держи под рукой огнетушитель. ) PS. Компрессия мение 9 очков уже хренова а показатель 0, 8, 7, 8, означает что пора делать капиталку, ОДНОЗНАЧНО!

Я так ехал 130 км. на тазике 10 (из отдалённой местности выбирался, поршень лопнул во время пересечения брода) , ничего страшного не произошло. Надо бязательно снять и поршень и шатун с вкладышами (это можно сделать, сняв поддон, потребуется ключик на 10, а ещё лучше головка - у меня трубка 8-10 была) . Масляный канал в коленвале после снятия шатуна надо обязательно заткнуть (я подобрал болтк и с молоточком его туда забил и закрутил - не очень герметично получилось, но он продержался) , иначе давление во всех остальных парах трения резко упадёт и двигло клинанёт. Потом поддон на место надо поставить и масло обратно налить. Подача топлива в горшок перекрывается отсоединением проводов от фарсунки. Обязательно надо снять со свечки провод высоковольтный (да, и массу его замкнуть любым подручным способом) , а то долбанёт, свечку при этом лучше оставить, что бы масло не брызгало от туда. Вдвоём вся эта процедура заняла у нас около 3-х часов, включая время на принятие решения и разработку плана дальнейших действий. Ничего никуда через клапаны не хлещет, даже не парься, давления то в горшке нет, с чего ему выплёвываться то? Потряхивает прилично, вполне можно поймать нужную частоту, что бы и тянуло хоть немного, и не так сильно трясло. 1,8 - 2,2 об. мин. Если шатун тряпкой мотнёшь и поедешь, как некоторые советуют, двигло "фигу" покажет (шатун пробъёт блок однозначно без поршня) . Тачила после этого уже 3 года бегает, ничего плохого с ней не стало.

Лично проехал 550 км на стучащем моторе с отключением цилиндра с помощью глушения коллектора тряпкой и алюминиевыми скотчем. Больше чем уверен, если бы вынул поршень и заткнул шейку колена, тем же скотчем, изолентой и сверху хомутом под отвертну, то проехал бы раза в три больше и без стука:)

touch.otvet.mail.ru

Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней / СоХабр

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий. Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники [2]. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине. А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977. [2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986. [3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

sohabr.net

УНИФИЦИРОВАННЫЙ ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ БЕЗ СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве привода транспортных средств, механизмов и оборудования.

Известны различные конструкции ДВС, в основе которых используются двигатели с кривошипно-шатунным механизмом (поршневые двигатели), роторно-поршневые, роторно-лопастные и другие разновидности двигателей, не нашедших своего применения. Поршневой двигатель при всех имеющихся недостатках выпускается на протяжении 160 лет без особых конструктивных изменений и является на сегодняшний день самым массовым, а в отдельных случаях своего применения, и единственным.

Основным недостатком поршневых двигателей является низкий КПД, достигаемый у бензиновых двигателей до 32%, у дизельных до 45%. Низкий КПД вызван значительными тепловыми потерями, составляющими в общем тепловом балансе двигателя порядка 50-65% и состоящими из потерь тепловой энергии с выхлопными газами, дающими порядка 30-40% потерь и передачей тепла через элементы двигателя в систему охлаждения, имеющие порядка 20-25%, а также механическими потерями на трение и привод вспомогательных систем. Причиной столь высоких тепловых потерь является малая эффективность принятых в классических поршневых двигателях рабочих процессов, а также представленный порядок и режимы выполнения рабочих тактов:

- такты впуск и сжатие производятся в основных рабочих цилиндрах, с разогретыми после завершения тактов рабочий ход и выпуск стенками рабочих камер, что влечет за собой на первой стадии такта сжатие, дополнительное повышение температуры сжимаемого воздуха и как следствие дополнительные затраты энергии на сжатие (до 25%) и соответственно повышенные температуры рабочего тела в конце такта сжатия, влияющие в свою очередь на уменьшение значения степени повышения давления при расширении рабочего тела (до 25%), а также способствует общему повышению температуры рабочего процесса, сопровождающегося увеличением теплопередачи в систему охлаждения. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь и затрат энергии на сжатие, может служить изотермическое сжатие рабочего тела в отдельном компрессоре с принудительным охлаждением.

- такт рабочий ход, классического поршневого двигателя, начинающийся с воспламенения топлива и достижения температур в камере сгорания до 2500-2800°С, сопровождается передачей до 25% тепловой энергии в систему охлаждения, а завершается при температурах в 900-1200°С, способствуя передаче до 40% энергии теплового процесса в атмосферу с отработанными газами. Кроме того, с ростом температуры растет и удельная теплоемкость воздуха, снижая эффективность рабочего процесса, а показатель адиабаты с ростом температуры падает, способствуя при этом снижению термического КПД. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь, может служить рабочий процесс, проходящий при избытке воздуха в 1,5-2,0 раза, превышающий необходимое количество и соответственно с пропорциональным снижением максимальных температур, а также с внесением конструктивных дополнений, позволяющих осуществить процесс без отвода тепла. Данный рабочий процесс будет тем эффективней, чем ниже температура сжатого рабочего тела перед воспламенением. (Справочник машиностроителя. Том 2. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Москва, 1955, стр. 51.)

Известных конструкций ДВС, реализовавших предлагаемые технические решения в результате проведенного заявителем поиска, обнаружить не удалась. По этой причине, для детального изложения сути предлагаемых технических решений, с точки зрения их реализации наиболее подходящим является поршневой двигатель со встречным движением поршней. В рассматриваемом поршневом двигателе реализованы указанные технические решения, позволяющие осуществить рабочий процесс, проходящий при меньших тепловых потерях, а также обеспечивающий по отношению к классическому поршневому двигателю более лучшие эксплуатационные и стоимостные показатели, ему не требуется радиатор и насос системы охлаждения работает по тепловому процессу, обеспечивающему соблюдение самых жестких экологических требований.

По способу реализации рабочего процесса, позволяющего снизить температуру отработанных газов за счет регенерации тепла, а также уменьшить затраты энергии на сжатие воздуха в ступенчатом компрессоре за счет применения теплообменников после каждой ступени, наиболее близким к заявленному является двигатель внутреннего сгорания (Патент RU 2449138), состоящий из компрессорного блока и блока рабочих цилиндров, камер сгорания, картера с силовым преобразователем движения поршней, цилиндропоршневой группы, причем компрессорный блок выполнен двух- или более ступенчатым с установленными теплообменниками на каждой ступени, рабочий блок выполнен из цилиндров с рабочими камерами сгорания, при этом компрессорный блок и рабочие блоки соединены между собой воздуховодом через ресивер, регенератор и клапан впуска.

Данный ДВС конструктивно достаточно сложный, требующий значительного количества дополнительного оборудования, что в свою очередь способствует увеличению массы, стоимости и габаритов двигателя. Задача минимизировать недостатки, характерные для классических поршневых двигателей, в предлагаемом двигателе без системы охлаждения решается особой организацией рабочего процесса с разделенным циклом, а также рядом предложенных дополнительных технических решений.

Описание чертежей.

На фиг. 1 изображен продольный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.

Блок 1 с рабочими цилиндрами 2, имеющими камеры сгорания 3, топливные форсунки 4, свечи накала 5, тепловые экраны 6, выпускные клапана 7 с кулачком 8, кожухом 9 с раструбом 10, впускными клапанами 11 с коллектором 12, а также рабочие поршни 13 с поршневыми кольцами 14, тепловыми экранами 15, поршневыми пальцами 16 с шарнирами 17, связанными через рычаги 18, установленными на осях 19 с пружинами 20 и шатунами 21 посредством кривошипа 22 с маховиком 23, установленным на оси 24 через подшипники 25 с шестерней 26, связанной с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28. Поршни компрессора 29 в компрессорных камерах 30 с поршневыми кольцами 31, маслеными форсунками 32, впускными и обратными клапанами 33 и 34 с выходом в впускной коллектор 35 и обратный коллектор 36 соответственно.

Осуществление изобретения.

Элементы двигателя закреплены на блоке 1, представляющем собой плиту, в которых выполнены коллектора 12, обеспечивающие подачу сжатого воздуха, через впускные клапана 11, в рабочие цилиндры 2, впускные коллектора 35, обеспечивающие поступление воздуха через впускные клапана 33 в компрессорные камеры 30 и обратные коллектора 36, обеспечивающие отбор сжатого воздуха из компрессорных камер, через обратные клапана 34. В рабочих цилиндрах 2 установлены по паре рабочих поршней 13 с возможностью выполнять встречно друг к другу возвратно-поступательные движения, причем на участке их сближения в рабочем цилиндре имеются впускные клапана 11 и выпускные клапана 7, управляемые распределительным кулачком 8, обеспечивающие выпуск отработанных газов в кожух 9 и далее в раструб 10, а также имеются камеры сгорания 3, выполненные в форме цилиндра из жаропрочной стали, куда имеют выход свечи накала 5 с распылителями топливных форсунок 4 и тепловые экраны 6, выполненные также в форме цилиндров, но из материала с высокой теплопроводностью. У рабочих поршней 13 имеются тепловые экраны 15, коаксиально входящие в тепловые экраны 15 встречного поршня и в тепловые экраны 6 рабочего цилиндра 2, причем первые тепловые экраны 15, перекрывающие камеры сгорания 3, выполнены из жаропрочной стали, остальные - из материала с высокой теплопроводностью. Рабочие поршни 13 с имеющейся внутренней цилиндрической полостью - компрессорными камерами 30 установлены на поршни компрессора 29, имеющие поршневые кольца 31, масленые форсунки 32, впускные клапана 33 и обратные клапана 34.

Рабочие поршни 13 через поршневые пальцы 16 с шарнирами 17 закреплены на качающихся рычагах 18, установленных на осях 19 и связанных через пружины 20 в пружинный маятник, закрепленный с одной стороны на блоке 1, с другой - на рычаге 18, причем качающиеся рычаги связаны по диагонали через шатуны 21 посредством шарнира и кривошипа 22, выполненном в маховике 23, который установлен на оси 24 через подшипники 25 вместе с шестерней 26, имеющей зацепление с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28.

Работает поршневой двигатель без системы охлаждения по разделенному циклу, выполняя за один оборот маховика 23 в рабочих цилиндрах 2 такты рабочий ход и выпуск, в компрессорных камерах 30 такты впуск, сжатие и вытеснение сжатого воздуха через обратные клапана 34 в обратный коллектор 36 и далее в воздушный кулер и ресивер (на чертежах не показаны), причем в начале такта сжатие, в компрессорные камеры через масленые форсунки 32, впрыскивается охлажденное до температуры окружающей среды масло, в количестве, достаточном для осуществления изотермического сжатия воздуха.

Удаление масла из воздуха производится в ресивере, устроенном как циклон и являющемся также маслобаком.

Такт выпуск производится при встречном движении рабочих поршней 13 из положения нижней мертвой точки (НМТ) при открытых выпускных клапанах 7, направляя поток газов через кожух 9 в раструб 10, причем в завершающей стадии выпуска, когда камеры сгорания 3 и тепловые экраны 6 начинают перекрываться тепловыми экранами 15, вытеснение отработавших газов производится через кольцевые области, образованные тепловыми экранами, в направлении от центра камер сгорания к стенкам рабочего цилиндра, интенсифицируя при этом теплопередачу тепловым экранам. До прихода рабочего поршня 13 в верхнюю мертвую точку (ВМТ), с закрытием выпускных клапанов 7 открываются впускные клапана 11, обеспечивающие через впускной коллектор 12 подачу в рабочие цилиндры из ресивера сжатого и охлажденного воздуха, причем поступление воздуха производится через кольцевые области, образованные коаксиально расположенными тепловыми экранами 6 и 15, в направлении движения потока от стенок рабочего цилиндра к центру камеры сгорания, обеспечивая при этом, вследствие разницы давлений, значительное охлаждение тепловых экранов и стенок рабочего цилиндра и в то же время осуществляя подвод тепла к рабочему телу.

В начальной стадии выполнения такта рабочий ход, в разогретые до температуры порядка 1000°С камеры сгорания 3, где имеется остаток не вытесненной высокотемпературной воздушно-газовой смеси, с поступлением разогретого сжатого воздуха производится впрыск топлива форсунками 4 и последующее его самовоспламенение. Температурный фронт и тепловое излучение, вызванные воспламенением топлива в первой стадии рабочего хода, сдерживается стенками камеры сгорания 3 и первыми тепловыми экранами 15. Избыток воздуха, составляющий около 2/3 от общего объема, сосредоточенный между тепловыми экранами и выполняющий роль бустера и барьерного воздуха, защищающего стенки рабочего цилиндра от жесткого температурного воздействия, в первой стадии рабочего хода, вследствие общего повышения давления в рабочем цилиндре, разогревается, способствуя при этом дополнительному повышению давления. Во второй стадии рабочего хода, с расхождением тепловых экранов 6 и 15, барьерный воздух в пространстве между тепловыми экранами, находится в стадии расширения, препятствуя активному теплообмену продуктов сгорания с тепловыми экранами, сохраняя тем самым эффективность процесса расширения. Тепловые экраны вступают в активную фазу теплообмена с началом такта выпуск, а особенно после их взаимного схождения.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в организации рабочего процесса разделенным циклом, не требующим отвода тепла в систему охлаждения и позволяющим значительно снизить температуру и давление выхлопных газов, а также в реализации следующих технических решений:

1. Применение цилиндрических камер сгорания и тепловых экранов, коаксиально входящих один в другой при сближении поршней, позволяет защитить стенки рабочих камер от температурного воздействия в стадии воспламенения топлива, а сжатый воздух, находящийся в пространстве между тепловыми экранами, работает как бустер, способствуя росту степени увеличения давления, и как барьерный воздух, препятствуя активному теплообмену при такте рабочий ход, обеспечивая возможность осуществления рабочего процесса без отвода тепла в систему охлаждения, а так же рекуперацию тепла от отработавших газов потупившему в рабочую камеру воздуху.

2. Применение рабочих поршней с внутренней полостью, образующих рабочие и компрессорные камеры разных объемов, позволяет получить степень расширения газов в рабочих цилиндрах по значению выше, чем степень сжатия в компрессорных камерах, что в свою очередь способствует снижению температуры и давления отработанных газов.

3. Впрыск охлажденного масла в компрессорные камеры при такте сжатия позволяет снизить затраты энергии на сжатие.

Данные технические решения позволяют осуществить рабочий процесс без принудительного охлаждения рабочих камер, при значительно сниженных значениях температуры и давления выхлопных газов, что в свою очередь позволяет снизить затраты на привод насоса и вентилятора системы охлаждения, затраты на эксплуатационные материалы, на обслуживание, способствует снижению стоимости и массы агрегата, а при отсутствии значительного избыточного давления в системе выхлопа позволяет отказаться от резонатора и в стандартном исполнении глушителя.

Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из рабочих поршней, рабочих цилиндров с камерами сгорания, с топливными форсунками и свечами накала, отличающийся тем, что рабочие цилиндры имеют отдельные цилиндрические камеры сгорания с топливными форсунками и свечами накала, а также цилиндрические тепловые экраны, коаксиально входящие в тепловые экраны, имеющиеся у рабочих поршней.

edrid.ru

Двигатель Стирлинга без поршней

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла.

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.   

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).  

Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так. 

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза. 

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали. 

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).   

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление. 

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно. 

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно. 

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору.

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.  А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами. опубликовано econet.ru 

 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet

econet.by

Замена поршней без расточки блока цилиндров

Безвтыковые поршни СТИ 216.08 и 216.11, предназначенные для ремонта мотора 21216 Приоры без расточки блока цилиндров (номинальный размер 82мм), особенно востребованы у водителей, не занимающихся тюнингом (поршни являются безвтыковыми только при использовании стандартных распредвалов, что сильно ограничивает их применение в тюнинге), и/или вовсе далеких от технической стороны вопроса ремонта. Из-за чего нам часто задают вопрос: "У двигателя пробег ХХХХ км, могу ли я использовать эти поршни?"

Выполнять ремонт без расточки цилиндров можно при условии, что хон [1] на стенках цилиндров находится в хорошем состоянии. Очевидно, что состояние хона зависит от пробега двигателя, и оценить это можно только после разборки двигателя. Разумеется, задиров и прочих дефектов на цилиндрах также быть не должно.

Поршни по диаметру в пределах одного размера делятся на 5 групп [2]: A, B, C, D, E с шагом 0,01мм. Им соответствуют следующие размеры:

A B C D E
81,96..81,97 81,97..81,98 81,98..81,99 81,99..82,00 82,00..82,01

Таблица #1. Группы поршня

Так же по группам делится и диаметр цилиндра.  Для подбора поршня для конкретного двигателя, нужно знать группу его цилиндров. Группам стандартного блока соответствуют следующие размеры:

A B C D E
82,00..82,01 82,01..82,02 82,02..82,03 82,03..82,04 82,04..82,05

Таблица #2. Группы цилиндра

Группа цилиндра определяется измерениями [3] после разборки двигателя. Рекомендуемый тепловой зазор для кованых поршней СТИ 0,055-0,060мм. Из указанных размеров следует, что для обеспечения теплового зазора для цилиндра группы, например, «С» нужно выбрать поршень группы «А» или «В», т.е. группа цилиндра минус тепловой зазор равно необходимая группа поршня.

В случае ремонта двигателя без расточки, поршневые кольца применяются стандартные, но, желательно, новые, т.к. при снятии колец со старых поршней они часто деформируются, и такие кольца повторно использовать нельзя.

Основной посыл этой заметки таков: при ремонте без расточки блока цилиндров всегда сначала демонтируется и разбирается двигатель, производятся измерения, и только после этого можно купить поршни нужной группы.

[1] Хон – "сетка" микрорельефа, удерживающая масло на стенках цилиндра.[2] Группа поршня / цилиндра – это отклонение размера поршня / цилиндра от диаметра.[3] Правила, по которым производятся измерения цилиндра, ищите в технической литературе по ремонту авто.

Поршни СТИ 216.08Поршни СТИ 216.11

www.kartuning.ru

Унифицированный поршневой двигатель без системы охлаждения

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве привода транспортных средств, механизмов и оборудования. В изобретении раскрыт двигатель внутреннего сгорания, состоящий из рабочих поршней, рабочих цилиндров с камерами сгорания, с топливными форсунками и свечами накала, в котором рабочие цилиндры имеют отдельные цилиндрические камеры сгорания с топливными форсунками и свечами накала, а также цилиндрические тепловые экраны, коаксиально входящие в тепловые экраны, имеющиеся у рабочих поршней. Техническим результатом является организация рабочего процесса с разделенным циклом, не требующим отвода тепла в систему охлаждения. 2 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, а в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС), и может быть использовано в качестве привода транспортных средств, механизмов и оборудования.

Известны различные конструкции ДВС, в основе которых используются двигатели с кривошипно-шатунным механизмом (поршневые двигатели), роторно-поршневые, роторно-лопастные и другие разновидности двигателей, не нашедших своего применения. Поршневой двигатель при всех имеющихся недостатках выпускается на протяжении 160 лет без особых конструктивных изменений и является на сегодняшний день самым массовым, а в отдельных случаях своего применения, и единственным.

Основным недостатком поршневых двигателей является низкий КПД, достигаемый у бензиновых двигателей до 32%, у дизельных до 45%. Низкий КПД вызван значительными тепловыми потерями, составляющими в общем тепловом балансе двигателя порядка 50-65% и состоящими из потерь тепловой энергии с выхлопными газами, дающими порядка 30-40% потерь и передачей тепла через элементы двигателя в систему охлаждения, имеющие порядка 20-25%, а также механическими потерями на трение и привод вспомогательных систем. Причиной столь высоких тепловых потерь является малая эффективность принятых в классических поршневых двигателях рабочих процессов, а также представленный порядок и режимы выполнения рабочих тактов:

- такты впуск и сжатие производятся в основных рабочих цилиндрах, с разогретыми после завершения тактов рабочий ход и выпуск стенками рабочих камер, что влечет за собой на первой стадии такта сжатие, дополнительное повышение температуры сжимаемого воздуха и как следствие дополнительные затраты энергии на сжатие (до 25%) и соответственно повышенные температуры рабочего тела в конце такта сжатия, влияющие в свою очередь на уменьшение значения степени повышения давления при расширении рабочего тела (до 25%), а также способствует общему повышению температуры рабочего процесса, сопровождающегося увеличением теплопередачи в систему охлаждения. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь и затрат энергии на сжатие, может служить изотермическое сжатие рабочего тела в отдельном компрессоре с принудительным охлаждением.

- такт рабочий ход, классического поршневого двигателя, начинающийся с воспламенения топлива и достижения температур в камере сгорания до 2500-2800°С, сопровождается передачей до 25% тепловой энергии в систему охлаждения, а завершается при температурах в 900-1200°С, способствуя передаче до 40% энергии теплового процесса в атмосферу с отработанными газами. Кроме того, с ростом температуры растет и удельная теплоемкость воздуха, снижая эффективность рабочего процесса, а показатель адиабаты с ростом температуры падает, способствуя при этом снижению термического КПД. Техническим решением, направленным на снижение тепловых потерь, может служить рабочий процесс, проходящий при избытке воздуха в 1,5-2,0 раза, превышающий необходимое количество и соответственно с пропорциональным снижением максимальных температур, а также с внесением конструктивных дополнений, позволяющих осуществить процесс без отвода тепла. Данный рабочий процесс будет тем эффективней, чем ниже температура сжатого рабочего тела перед воспламенением. (Справочник машиностроителя. Том 2. Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы. Москва, 1955, стр. 51.)

Известных конструкций ДВС, реализовавших предлагаемые технические решения в результате проведенного заявителем поиска, обнаружить не удалась. По этой причине, для детального изложения сути предлагаемых технических решений, с точки зрения их реализации наиболее подходящим является поршневой двигатель со встречным движением поршней. В рассматриваемом поршневом двигателе реализованы указанные технические решения, позволяющие осуществить рабочий процесс, проходящий при меньших тепловых потерях, а также обеспечивающий по отношению к классическому поршневому двигателю более лучшие эксплуатационные и стоимостные показатели, ему не требуется радиатор и насос системы охлаждения работает по тепловому процессу, обеспечивающему соблюдение самых жестких экологических требований.

По способу реализации рабочего процесса, позволяющего снизить температуру отработанных газов за счет регенерации тепла, а также уменьшить затраты энергии на сжатие воздуха в ступенчатом компрессоре за счет применения теплообменников после каждой ступени, наиболее близким к заявленному является двигатель внутреннего сгорания (Патент RU 2449138), состоящий из компрессорного блока и блока рабочих цилиндров, камер сгорания, картера с силовым преобразователем движения поршней, цилиндропоршневой группы, причем компрессорный блок выполнен двух- или более ступенчатым с установленными теплообменниками на каждой ступени, рабочий блок выполнен из цилиндров с рабочими камерами сгорания, при этом компрессорный блок и рабочие блоки соединены между собой воздуховодом через ресивер, регенератор и клапан впуска.

Данный ДВС конструктивно достаточно сложный, требующий значительного количества дополнительного оборудования, что в свою очередь способствует увеличению массы, стоимости и габаритов двигателя. Задача минимизировать недостатки, характерные для классических поршневых двигателей, в предлагаемом двигателе без системы охлаждения решается особой организацией рабочего процесса с разделенным циклом, а также рядом предложенных дополнительных технических решений.

Описание чертежей.

На фиг. 1 изображен продольный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.

На фиг. 2 изображен поперечный разрез поршневого двигателя без системы охлаждения.

Блок 1 с рабочими цилиндрами 2, имеющими камеры сгорания 3, топливные форсунки 4, свечи накала 5, тепловые экраны 6, выпускные клапана 7 с кулачком 8, кожухом 9 с раструбом 10, впускными клапанами 11 с коллектором 12, а также рабочие поршни 13 с поршневыми кольцами 14, тепловыми экранами 15, поршневыми пальцами 16 с шарнирами 17, связанными через рычаги 18, установленными на осях 19 с пружинами 20 и шатунами 21 посредством кривошипа 22 с маховиком 23, установленным на оси 24 через подшипники 25 с шестерней 26, связанной с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28. Поршни компрессора 29 в компрессорных камерах 30 с поршневыми кольцами 31, маслеными форсунками 32, впускными и обратными клапанами 33 и 34 с выходом в впускной коллектор 35 и обратный коллектор 36 соответственно.

Осуществление изобретения.

Элементы двигателя закреплены на блоке 1, представляющем собой плиту, в которых выполнены коллектора 12, обеспечивающие подачу сжатого воздуха, через впускные клапана 11, в рабочие цилиндры 2, впускные коллектора 35, обеспечивающие поступление воздуха через впускные клапана 33 в компрессорные камеры 30 и обратные коллектора 36, обеспечивающие отбор сжатого воздуха из компрессорных камер, через обратные клапана 34. В рабочих цилиндрах 2 установлены по паре рабочих поршней 13 с возможностью выполнять встречно друг к другу возвратно-поступательные движения, причем на участке их сближения в рабочем цилиндре имеются впускные клапана 11 и выпускные клапана 7, управляемые распределительным кулачком 8, обеспечивающие выпуск отработанных газов в кожух 9 и далее в раструб 10, а также имеются камеры сгорания 3, выполненные в форме цилиндра из жаропрочной стали, куда имеют выход свечи накала 5 с распылителями топливных форсунок 4 и тепловые экраны 6, выполненные также в форме цилиндров, но из материала с высокой теплопроводностью. У рабочих поршней 13 имеются тепловые экраны 15, коаксиально входящие в тепловые экраны 15 встречного поршня и в тепловые экраны 6 рабочего цилиндра 2, причем первые тепловые экраны 15, перекрывающие камеры сгорания 3, выполнены из жаропрочной стали, остальные - из материала с высокой теплопроводностью. Рабочие поршни 13 с имеющейся внутренней цилиндрической полостью - компрессорными камерами 30 установлены на поршни компрессора 29, имеющие поршневые кольца 31, масленые форсунки 32, впускные клапана 33 и обратные клапана 34.

Рабочие поршни 13 через поршневые пальцы 16 с шарнирами 17 закреплены на качающихся рычагах 18, установленных на осях 19 и связанных через пружины 20 в пружинный маятник, закрепленный с одной стороны на блоке 1, с другой - на рычаге 18, причем качающиеся рычаги связаны по диагонали через шатуны 21 посредством шарнира и кривошипа 22, выполненном в маховике 23, который установлен на оси 24 через подшипники 25 вместе с шестерней 26, имеющей зацепление с шестерней отбора мощности 27, имеющей шлицы 28.

Работает поршневой двигатель без системы охлаждения по разделенному циклу, выполняя за один оборот маховика 23 в рабочих цилиндрах 2 такты рабочий ход и выпуск, в компрессорных камерах 30 такты впуск, сжатие и вытеснение сжатого воздуха через обратные клапана 34 в обратный коллектор 36 и далее в воздушный кулер и ресивер (на чертежах не показаны), причем в начале такта сжатие, в компрессорные камеры через масленые форсунки 32, впрыскивается охлажденное до температуры окружающей среды масло, в количестве, достаточном для осуществления изотермического сжатия воздуха.

Удаление масла из воздуха производится в ресивере, устроенном как циклон и являющемся также маслобаком.

Такт выпуск производится при встречном движении рабочих поршней 13 из положения нижней мертвой точки (НМТ) при открытых выпускных клапанах 7, направляя поток газов через кожух 9 в раструб 10, причем в завершающей стадии выпуска, когда камеры сгорания 3 и тепловые экраны 6 начинают перекрываться тепловыми экранами 15, вытеснение отработавших газов производится через кольцевые области, образованные тепловыми экранами, в направлении от центра камер сгорания к стенкам рабочего цилиндра, интенсифицируя при этом теплопередачу тепловым экранам. До прихода рабочего поршня 13 в верхнюю мертвую точку (ВМТ), с закрытием выпускных клапанов 7 открываются впускные клапана 11, обеспечивающие через впускной коллектор 12 подачу в рабочие цилиндры из ресивера сжатого и охлажденного воздуха, причем поступление воздуха производится через кольцевые области, образованные коаксиально расположенными тепловыми экранами 6 и 15, в направлении движения потока от стенок рабочего цилиндра к центру камеры сгорания, обеспечивая при этом, вследствие разницы давлений, значительное охлаждение тепловых экранов и стенок рабочего цилиндра и в то же время осуществляя подвод тепла к рабочему телу.

В начальной стадии выполнения такта рабочий ход, в разогретые до температуры порядка 1000°С камеры сгорания 3, где имеется остаток не вытесненной высокотемпературной воздушно-газовой смеси, с поступлением разогретого сжатого воздуха производится впрыск топлива форсунками 4 и последующее его самовоспламенение. Температурный фронт и тепловое излучение, вызванные воспламенением топлива в первой стадии рабочего хода, сдерживается стенками камеры сгорания 3 и первыми тепловыми экранами 15. Избыток воздуха, составляющий около 2/3 от общего объема, сосредоточенный между тепловыми экранами и выполняющий роль бустера и барьерного воздуха, защищающего стенки рабочего цилиндра от жесткого температурного воздействия, в первой стадии рабочего хода, вследствие общего повышения давления в рабочем цилиндре, разогревается, способствуя при этом дополнительному повышению давления. Во второй стадии рабочего хода, с расхождением тепловых экранов 6 и 15, барьерный воздух в пространстве между тепловыми экранами, находится в стадии расширения, препятствуя активному теплообмену продуктов сгорания с тепловыми экранами, сохраняя тем самым эффективность процесса расширения. Тепловые экраны вступают в активную фазу теплообмена с началом такта выпуск, а особенно после их взаимного схождения.

Новизна предлагаемого изобретения заключается в организации рабочего процесса разделенным циклом, не требующим отвода тепла в систему охлаждения и позволяющим значительно снизить температуру и давление выхлопных газов, а также в реализации следующих технических решений:

1. Применение цилиндрических камер сгорания и тепловых экранов, коаксиально входящих один в другой при сближении поршней, позволяет защитить стенки рабочих камер от температурного воздействия в стадии воспламенения топлива, а сжатый воздух, находящийся в пространстве между тепловыми экранами, работает как бустер, способствуя росту степени увеличения давления, и как барьерный воздух, препятствуя активному теплообмену при такте рабочий ход, обеспечивая возможность осуществления рабочего процесса без отвода тепла в систему охлаждения, а так же рекуперацию тепла от отработавших газов потупившему в рабочую камеру воздуху.

2. Применение рабочих поршней с внутренней полостью, образующих рабочие и компрессорные камеры разных объемов, позволяет получить степень расширения газов в рабочих цилиндрах по значению выше, чем степень сжатия в компрессорных камерах, что в свою очередь способствует снижению температуры и давления отработанных газов.

3. Впрыск охлажденного масла в компрессорные камеры при такте сжатия позволяет снизить затраты энергии на сжатие.

Данные технические решения позволяют осуществить рабочий процесс без принудительного охлаждения рабочих камер, при значительно сниженных значениях температуры и давления выхлопных газов, что в свою очередь позволяет снизить затраты на привод насоса и вентилятора системы охлаждения, затраты на эксплуатационные материалы, на обслуживание, способствует снижению стоимости и массы агрегата, а при отсутствии значительного избыточного давления в системе выхлопа позволяет отказаться от резонатора и в стандартном исполнении глушителя.

Двигатель внутреннего сгорания, состоящий из рабочих поршней, рабочих цилиндров с камерами сгорания, с топливными форсунками и свечами накала, отличающийся тем, что рабочие цилиндры имеют отдельные цилиндрические камеры сгорания с топливными форсунками и свечами накала, а также цилиндрические тепловые экраны, коаксиально входящие в тепловые экраны, имеющиеся у рабочих поршней.

www.findpatent.ru