Недостатки керамики Керамические двигатели. Керамический двигатель внутреннего


КЕРАМИКА в двигателе | BMW Club

Написал заглавными буквами, т.к. тема перспективная. Много народа относится к этому скептически. Я пока никак. Потому, что сравнительно ничего не знаю.

Вот цитаты с других форумов:

"Принцип нанесения покрытия: Берётся графитовый стержень. Распловляется высоко-частотным излучением до положительно заряженной плазмы. Плазма при помоши циклотрона разгоняется до гигантских скоростей. Этим потом бомбандируют цель. Граффит (углерод) образует алмазную решётку поверх металической решотки. На данный момент такая комбинация вторая по твёрдости в нашем мире, после самого алмаза, но зато гораздо более прочная чем чистый алмаз (который можно молотком сломать). Температура плавления граффита около 2500 градусов, так что даже если мотор расплавится, то поршни останутся."

"Насчёт керамики в двигателе. Я где-то полтора года назад ездил в Юваскюльский универ на экскурсию. Там нам показывали установку для нанесения алмазно-графитового покрытия на медицинские эмпланты. Молодой парень который этим занимался потом похвастался что за компанию нанёс это покрытие на все цилиндры и поршни в двигателе своей бибики, трение стало раза в два меньше, а износ практически вечен. Мне почему-то кажется что такая технология в автостроение применяется, ну может быть не на массовых автомобилях."

А один кент вообще отписал: "Как-то-то годик назад я сделал керамику на двигатель японца. Пробег - 250 000. Результат мне понравился: субъективно до 30% мощности добавилось. Машину стало просто тянуть вперед, да и звук двигателя стал какой-то керамический, мягкий." Вот это я ваще не понял. :eek: Как это... сделал, Ы?

Единственное я знаю точно, что наши НИИ баловались разработками в сфере металлокерамики. Брали в качестве подопытного кролика Иж "планету", наносили керамическое покрытие на всю ЦПГ, снимали воздушный фильтр и выпускали на пыльную кроссовую трассу часика на 2. Из картера потом зубилом выколачивали куски спекшегося кварца. А зеркало оставалось идеальным. Непизчу и ниипЁт. :rolleyes:

Не знаю, мож кто из форумчан "делал" себе керамическое покрытие цилиндров?

P.S. Больно не бейте. :)

 

www.bmwclub.ru

ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРОВ ВЛИЯЮЩИХ НА ЭКОНОМИЧНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Первый автомобиль был сконструирован и изготовлен на исходе XIX века. В начале прошлого столетия он уже приобрел все основные черты современной машины. Первые автомобильные двигатели, получившие широкое распространение, были четырехтактными бензиновыми с искровым зажиганием от магнето. Мощность двигателей внутреннего сгорания тогда не превышала 35 л. с, а степень сжатия была в редких случаях более 3. Дальнейшее развитие автомобилестроения характеризовалось повышением степени сжатия до 8‑10, введением турбонаддува и расширением сферы применения дизелей, значительно более экономичных, чем бензиновые моторы с искровым зажиганием.

Однако, несмотря на значительное совершенствование эксплуатационных свойств автомобильных двигателей внутреннего сгорания, особенно за последние 50‑60 лет, основной их недостаток — низкую эффективность использования тепла - устранить не удавалось. И хотя теоретически в таких двигателях в полезную работу можно превратить около 70% энергии израсходованного топлива, на практике эффективный КПД обычно не превышает 28‑38% .

Как бы мы ни совершенствовали процесс сгорания топлива в двигателе, основная масса выделившегося при этом тепла все равно будет теряться с охлаждающей водой, маслом и выхлопными газами. Причем больше всего тепловых потерь идет через систему охлаждения: до 40%. И это пока неизбежно, так как без охлаждения металлические детали двигателя не выдержат тепловых нагрузок, возникающих при его работе. Естественно, возникает вопрос, а нельзя ли повысить эффективность автомобильного двигателя, хотя бы за счет частичного использования тепловых потерь?

Основной показатель эффективности двигателя — коэффициент полезного действия (КПД). Он определяет степень преобразования тепловой энергии в механическую.

Изучая в физике «Законы термодинамики», мы задались вопросом: каким образом можно повысить КПД теплового двигателя?

Французский инженер Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя. 

В своей книге Карно не сумел еще развить достаточно полную теорию превращения теплоты в работу, так как придерживался теории теплорода.[3, c.53] Правда, из опубликованных после его смерти документов видно, что он впоследствии отказался от этой теория и пришел к заключению, что теплота есть движение. Он установил, что непрерывный процесс превращения теплоты в работу будет происходить при наличии двух тел: нагревателя при более высокой температуре Т1 и холодильника при более низкой температуре Т2. [3, c.52]

Карно и последующие ученые показали, что эта машина должна быть такой, чтобы все изменения в ней происходили обратимым путем, т.е. чтобы все процессы в ней были обратимыми.

Как показал Сади Карно, КПД предложенного им цикла может быть выражен через температуры нагревателя Т1 и холодильника Т2. Он оказывается равным : η= ( Т2-Т1) / Т1 или η= 1-(Т2/Т1)  [1, с.263]

Исходя из этих формул, 

КПД будет выше, если разница между температурами нагревателя и холодильника станет максимальна. Источник тепла (в автомобильном двигателе источником тепла является химическая реакция горения) создает высокую температуру рабочего вещества; с другой стороны, имеется громадный резервуар, в котором рассеивается получающаяся теплота, — атмосфера; она играет роль холодильника.

Большее количество тепловой энергии отводится от двигателя в систему охлаждения и уносится с отработавшими газами. Отвод теплоты в систему охлаждения необходим для того, чтобы воспрепятствовать заклиниванию поршневых колец, обгоранию седел клапанов, задиру и заклиниванию поршня, растрескиванию головок цилиндров, возникновению детонации.

Для отвода теплоты в атмосферу часть эффективной мощности двигателя расходуется на привод вентилятора и водяного насоса. При воздушном охлаждении мощность, расходуемая на привод вентилятора, выше из-за необходимости преодоления большого аэродинамического сопротивления, создаваемого оребрением головок и цилиндров.

Время сгорания очень мало, но за этот период давление газов значительно возрастает, а температура достигает 2300—2500 °С. При сгорании в цилиндре, интенсивно протекают процессы перемещения газов, способствующие теплоотдаче в стенки цилиндра. Теплоту, сэкономленную в этой фазе рабочего цикла, можно преобразовать в полезную работу в течение последующего хода расширения. При сгорании около 6 % тепловой энергии, содержащейся в топливе, теряется из-за теплопередачи стенкам камеры сгорания и цилиндра.[2,c.73]

Около половины теплоты, отводимой в систему охлаждения, приходится на такт выпуска. Отработавшие газы выходят из цилиндра с большой скоростью и имеют высокую температуру. Часть их теплоты отводится в систему охлаждения через выпускной клапан и выпускной канал головки цилиндра. Непосредственно за клапаном поток газов изменяет направление почти на 90°, при этом возникают вихри, что интенсифицирует теплоотдачу в стенки выпускного канала.

Если в качестве температуры системы  охлаждения взять температуру окружающего воздуха ( среднюю по России - 0°C , то мы увидим:

η= 1-(Т2/Т1),  T= t+273

t1 ,°C

Т1, К

t2 °C

Т2, К

η

900

1173

0

273

0,76

1500

1773

0

273

0,84

2000

2273

0

273

0,87

2500

2773

0

273

0,9

 

 

При постоянной температуре системы охлаждения (холодильника), с ростом температуры нагревателя КПД увеличивается.

При такте «Сжатие» поршень от нижней мертвой точки перемещается к верхней мертвой точке. Оба клапана плотно закрыты и поэтому рабочая смесь сжимается. Из физики всем известно, что при сжатии газов их температура повышается. Давление в цилиндре над поршнем в конце такта сжатия достигает 9‑10 кг/см2, а температура 300‑400 °C. В самом конце такта сжатия, рабоч

рабочая смесь воспламеняется от электрической искры, проскакивающей между электродами свечи зажигания.

В начале такта рабочего хода, сгорающая смесь начинает активно расширяться. А так как впускной и выпускной клапаны все еще закрыты, то расширяющимся газам остается только один единственный выход - давить на подвижный поршень. Поршень под действием этого давления, достигающего 40 кг/см 2, начинает перемещаться к нижней мертвой точке. При этом на всю площадь поршня давит сила 2000 кг и более, которая через шатун передается на кривошип коленчатого вала, создавая крутящий момент. При такте рабочего хода, температура в цилиндре достигает 2300 градусов и выше. [2, c.82]

Во время такта «Рабочий ход» происходит преобразование выделяемой при сгорании рабочей смеси энергии в механическую работу. Давление от расширяющихся газов передается на поршень и затем, через шатун и кривошип, на коленчатый вал. Откуда и берется та сила, которая заставляет вращаться коленчатый вал двигателя и, в конечном итоге, ведущие колеса автомобиля.

Если мы хотим повысить  КПД как можно выше, нужно увеличивать температуру нагревателя. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Значит не все материалы, возможно, использовать для изготовления двигателя и его деталей.

Рассмотрим температуры плавления различных веществ:

Вещество

Температура, °C

Алюминий

550

Чугун

1250

Кремний

1668

Фарфор

1800

Титан

1933

Вольфрам

3400

 

 

По этим данным видно, что лучше всего бы для изготовления деталей двигателя подошел вольфрам, но для серийного производства этот материал не подходит. Или титан, но это было бы очень дорогое производство.

Итак, с одной стороны, для повышения экономичности двигателя желательно иметь более высокую температуру деталей, образующих камеру сгорания; с другой стороны, для повышения надежности работы деталей их температура должна быть как можно ниже. Несоблюдение второго условия может привести к перегреву деталей, разрушению масляной пленки и возникновению режима сухого трения. Устранить это можно лишь более интенсивным охлаждением деталей цилиндра, что опять-таки увеличит потери тепла в систему охлаждения.

Даже из нашей таблицы видно, что следующие после титана и вольфрама по жаропрочности и тугоплавкости являются — фарфор и кремний, т.е. керамика. При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

Детали двигателя, изготовленные из керамических материалов, в отличие от обычных, (они работают при 250‑450° С) могут выдерживать температуры до 1300‑1500°С. Благодаря высокой термостойкости и малой теплопроводности керамики отпадает необходимость в охлаждении отдельных деталей, а при изготовлении из керамических материалов всех деталей - и 

необходимость вообще в системе охлаждения. Кроме того, керамические изделия легче равнопрочных металлических.

Создание более высокой температуры цикла и устранение потерь тепла, связанных с охлаждением деталей, позволит поднять кпд двигателя и значительно снизить расход топлива. Весьма существенно, что повышение температуры деталей камеры сгорания двигателя (до 1200°С) делает керамический двигатель многотопливным. Это значит, что могут использоваться бензин, керосин, дизельное топливо, спирт, синтетические топлива из угля и горючих сланцев и при необходимости даже некоторые сорта мазута. Кроме того, благодаря более высокой температуре в камере сгорания значительно возрастет топливная экономичность двигателя при частичных нагрузках, что очень важно для транспорта, движущегося в условиях города.

Для деталей двигателя, работающих при высоких температурах (250‑450°С) и подверженных большому износу, наиболее подходящими керамическими материалами следует считать карбиды и нитриды кремния. Сырьем для их получения служат широко распространенные в природе вещества: кварцевый песок, полевой шпат и каолин.

Следовательно, при отработанной технологии изготовления деталей поршневого двигателя из керамики замена дорогостоящих легированных и жаростойких сталей положительно скажется на его  стоимости.

Подведём итог:

Керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей 

внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения. Достоинства керамических материалов и выгоды, которые сулит их применение в двигателях внутреннего сгорания, несомненны.

Но, для организации серийного выпуска таких двигателей требуется серьезная перестройка производства, а следовательно, и значительное время.

Но несмотря на всё вышесказанное о керамическом двигателе, говорить о его серьезной конкуренции традиционным двигателям внутреннего сгорания еще рано. В современных двигателях применяются материалы, технология обработки которых доведена до совершенства, и благодаря массовому их выпуску себестоимость двигателя незначительная. Ресурс же деталей двигателя из керамических материалов мал, да и технология получения этих материалов и их обработки оставляет пока желать лучшего. Эти два обстоятельства, несмотря на заложенные в керамическом двигателе значительные преимущества, и служат пока серьезными препятствиями на пути его широкого распространения.

 

Список литературы:

  1. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Общий курс физики. Молекулярная физика (2-е здание). М.: Наука, 1976 — 478 с
  2. Стуканов В.А. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля. М.:ИД «Форум»-Инфра-М, 2007 — 360с
  3. Тимирязев А.К. Второе начало термодинамики. Сборник работ (С. Карно, Р. Клаузиус, В. Томсон-Кельвин, Л. Больцман, М. Смолуховский). М.-Л.: ГТТИ, 1934 — 312 с

 

sibac.info

Недостатки керамики Керамические двигатели.



 Если Вам понравился сайт нажмите на кнопку выше Недостатки керамики Керамические двигатели.
Недостатки керамики Керамические двигатели.

Керамические материалы в автомобилестроении

Испытания показывают, что керамические материалы FRIALIT®-DEGUSSIT® проявляют стабильность многих физических свойств при высоких значениях температуры, электрического напряжения, а также в других экстраординарных условиях. Уже несколько десятилетий уникальные свойства этого материала используются для производства гибридных подшипников, применяемых в высокоскоростных валах обрабатывающих станков.

И, как подтверждают современные исследования, гибридные подшипники незаменимы и в других экстремальных сферах применения.

Сравнительная таблица наглядно показывает преимущества технической керамики перед другими материалами (в данном случае приведена пластмасса).

Физические характеристики технической керамики FZM/K

 Характеристики

Единица измерения

Пластмасса

FZM/K

Плотность

г/см3

1,2

6

Плотность по Бринеллю

МПа

90-100

1 800

Прочность при сжатии

МПа

 

2 200

Предел прочности при изгибе

МПа

110 - 120

800

Модуль эластичности

ГПа

 

200

Коррозионная стойкость

 

хорошая

очень хорошая

Коэффициент линейного теплового расширения

10-6/К

60-70

11

Уникальность свойств и надежность керамики открывают новые возможности для внедрения материала в машиностроении. Одним из таких направлений является автомобилестроение - динамично развивающаяся отрасль промышленности, где особенно востребованы передовые разработки и свежие технические идеи. Экспериментальной площадкой отрасли, где проходит апробацию всё самое новое и передовое, является авто- и мотоспорт. Ведь гоночный автомобиль - это, по сути, материальное воплощение самых смелых конструкторских и технических решений.

о всех гоночных дисциплинах перед командами ставятся высочайшие требования по обеспечению техобслуживания и подготовки техники к гонкам, что определяет особое внимание к эксплуатационным характеристикам механической трансмиссии, подвески, коробки передач, двигателя.

Современные болиды Формулы 1, гоночные и раллийные автомобили оборудованы узлами и деталями, в которых успешно применяются керамические и гибридные подшипники. Разработка высокопроизводительной керамики FRIALIT®-DEGUSSIT® дала возможность совместить уникальные свойства двух материалов – металла и керамики – в одном изделии.

Какие свойства дают преимущества керамическим и металлокерамическим подшипникам в сравнении с классическими стальными?

Преимущества керамических подшипников

  1. Низкая химическая активность, основная характеристика керамики, способствует очень малому адгезивному износу в сопрягаемых деталях. Данное свойство позволяет реализовывать новые конструктивные и технические решения для производства подшипников, эксплуатируемых при малом уровне смазки или даже без применения смазочных материалов. Благодаря этому керамические подшипники продолжают стабильно работать даже в аварийных ситуациях и не приводят к внезапным отказам техники.

  2. Низкий коэффициент трения. При достаточном уровне смазки обеспечивается высокая работоспособность систем с опорными подшипниковыми деталями. При значительно меньшем трении снижается температура, что позволяет повысить максимально предельную скорость вращения.

  3. Превосходная коррозионная стойкость позволяет эксплуатировать керамические подшипники в агрессивных средах и зонах, где применение обычных стальных подшипников невозможно.

Керамические материалы открывают перед инженерами безграничные возможности в конструировании элементов машин и агрегатов. И подшипник являются не единственной деталью из керамики в современном автомобиле.

Для безупречного функционирования уплотнительного кольца решающим фактором является выбор материала. При производстве автомобилей применяют пластмассы, графит, металл, металлокерамику и карбиды. В последнее время использование керамических уплотнительных колецдля крутящихся валов автомобилей получило самое широкое распространение.

Так как керамика является поликристаллическим материалом, с размером кристаллов 10 мкм, даже при кажущейся абсолютно гладкой поверхности имеются небольшие углубления, которые служат в качестве «смазочных карманов» и превосходно подходят для сохранения слоя смазки. Шероховатость поверхности для подобного рода изделий, изготавливаемых из керамических материалов FRIALIT®-DEGUSSIT®, составляет Ra < 0,3 мкр.

Деформация керамики FRIALIT®-DEGUSSIT® (Al2O3и SiC) посредством воздействия механических сил или температурных градиентов исключительно мала, так как материал обладает высоким значением модуля Юнга и невысоким значением температурного расширения.

В сочетании с этими уникальными свойствами снижение веса металлокерамических агрегатов выводит автомобили на новые предельные режимы эксплуатации. Автомобилестроение наглядно показывает, что механизмы и изделия, созданные на основе керамических материалов, более надёжны и могут применяться в особо тяжелых условиях эксплуатации.

Уже сейчас свой выбор в пользу технической керамики сделали такие гиганты автоиндустрии, как Daimler, Chrysler, Porsche, Volkswagen.

Недостатки керамики

Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.

При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.

К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.

Керамические двигатели.

Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД любого термодинамического процесса необходимо повышать температуру на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 – T2/Т1, где Т1 и Т2– температуры на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства соответственно. Чем выше температура T1тем больше КПД. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.

Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми. Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.

Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300 – 1500 К, иметь прочность при изгибе не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПа•м1/2. Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет керамика на основе диоксида циркония ZrO2и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводятся в Японии и США. Японская фирма «Isuzu Motors Ltd» освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, «Nissan Motors Ltd» – крыльчатки турбокомпрессора, фирма «Mazda Motors Ltd» – форкамеры и пальца толкателя.

Компания «Cammin Engine» (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrO2, нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %.

Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Двигатель развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30 – 50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.

Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 – 1670 К (в перспективе до 1770 – 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.

Повышение тактико-технических характеристик авиационных двигателей невозможно без применения керамических материалов.

http://www.glynwed.ru/information/ceramics-avto/

http://steeltimes.ru/books/allmet/newmaterialinmetallurgy/142/142.php

http://uas.su/books/newmaterial/142/razdel142.php

referatwzd.nugaspb.ru
  • Карта сайта
  • xreff.ru

    Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания

     

    Использование: в машиностроении при проектировании поршневых бесшатунных ДВС. Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с керамическими гильзами, в котором находятся два поршня, жестко связанных между собой зубчатой рейкой, находящейся в зацеплении с двумя шестернями, которые посредством муфт свободного хода передают крутящийся момент валам отбора мощности, а те, в свою очередь, - шестерне выходного вала. Цилиндр имеет каналы для подачи турбокомпрессором воздуха в двигатель, клапаны выпуска отработанных газов, топливную и водяную форсунки, датчики давления в цилиндре и закрыт с двух сторон крышками с внутренним теплоизолирующим покрытием. Рабочая сторона каждого поршня имеет теплоизолирующее покрытие, поверх которого находится пористое покрытие из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. На крайних боковых поверхностях цилиндра расположены датчики положения поршней в цилиндре и датчик скорости движения поршней в цилиндре. Двигатель имеет электронный блок, по сигналам датчиков в управляющий впрыском в цилиндры двигателя топлива и воды. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

    Изобретение относится к машиностроению, касается усовершенствования поршневых бесшатунных двигателей внутреннего сгорания и может быть использовано на транспорте.

    Известен бесшатунный двигатель, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двухстороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него и пазы в цилиндре, установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами, каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов (SU, авторское свидетельство N1038487, кл.6 F 01 B 9/08, 1983). Двигатель имеет следующие недостатки. Работает по двухтактному циклу с прямоточной продувкой, что определяет низкую экономичность, имеет большое число уплотнений, муфты находятся в горячей зоне и ограничены в размерах поршнем, за один рабочий ход вал двигателя поворачивается на небольшой угол, имеет потери на боковое трение поршня в цилиндре, давление в цилиндре резко снижается в течение рабочего хода. Задачами, на решение которых направлено изобретение, являются: уменьшение потерь на трение в двигателе, повышение его экономичности, обеспечение высокого крутящего момента в широком диапазоне изменения скорости вращения вала двигателя, увеличение удельной мощности. Для решения этих задач предлагается выполнить двигатель с реечно-шестеренчатым преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное и системой управления давлением в цилиндрах, скоростью движения поршня и т.д. на основании этих данных управляющей процессами, протекающими в цилиндрах двигателя. Изобретение поясняется чертежом. Двигатель содержит цилиндр 1 с керамическими гильзами 2, закрытый с двух сторон крышками 3 с теплоизолирующим покрытием 4. Внутри цилиндра 1 находятся двухсторонний поршень 5 с уплотнительными элементами 6. Рабочие стороны поршня имеют теплоизолирующее покрытие 7, поверх которого находится пористое покрытие 8 из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью. Поршень снабжен зубчатой рейкой 9, находящейся в зацеплении с шестернями 10, передающими вращение валам 11 отбора мощности с помощью муфт свободного хода, состоящих из роликов 12, подпружиненных пружинами 13. Каждый вал отбора мощности передает свое вращение посредством шестерни 14 шестерне 15 выходного вала 16 двигателя. Воздух в двигателе подается по каналам 17, а отработанные газы через клапаны 18 выходят наружу. Кроме клапанов 18 в каждой крышке 3 имеется топливная форсунка 19, форсунка впрыска воды 20 и датчик 21 давления в цилиндре двигателя. На боковой стенке цилиндра 1 расположены датчики 22 положения поршня в цилиндре, управляющие моментом впрыска топлива, а датчик 23 скорости давления поршня в цилиндре, управляющий длительностью впрыска топлива и воды, расположен возле зубчатой рейки 9. Двигатель рассчитан на работу с турбонаддувом, поэтому отходящие через клапан 18 отработанные газы подаются на турбину, вращающую компрессор наддува, который, подавая воздух через каналы 17 под избыточным давлением, осуществляет продольную клапанно-щелевую продувку цилиндров двигателя, которая несмотря на большую сложность обеспечивает более высокое качество продувки, чем прямоточная щелевая и увеличивает мощность и экономичность двигателя. Двигатель работает следующим образом. Пусковым устройством (условно не показано) резко переводят поршень 5 в цилиндре 1 из одного крайнего положения в другое. При этом воздух, находящийся в цилиндре, сожмется и сильно нагреется. Когда уплотнительный элемент 6 поршня 5 пересечет линию датчика 22 положения поршня в цилиндре, он выдаст сигнал на впрыск топлива форсунке 19. Впрыснутое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет и поршень 5 движется в противоположную сторону. В своем конце рабочего хода, перед открытием впускных каналов 17, открывается клапан 18 и отработанные газы выходят из цилиндра, поступая на турбину компрессора. Чуть позже каналы 17 открываются и воздух, подаваемый компрессором, продувает цилиндр. Клапан 18 закрывается, а в это время поршень достигает в противоположной стороне положения, когда форсунка впрыскивает топливо, и цикл повторяется. Для обеспечения высокого крутящего момента работой двигателя управляет электронный блок, получающий информацию от датчиков о положении поршня в цилиндре, скорости движения его, давлении в цилиндре во время рабочего хода и сжатия. Мощность двигателя изменяют подачей на один их входов электронного блока опорного сигнала. На остальные его входы подают сигналы от датчиков 21 давления в цилиндре, датчиков 22 положения поршня в цилиндре, датчика 23 скорости движения поршня в цилиндре. По сигналам датчиков 22 электронный блок управляет моментом впрыска топлива форсунками 19, сигнал датчика 23 управляет опережением впрыска топлива, длительностью впрыска топлива и воды, а сигналы датчиков 21 определяют количество топлива и воды, впрыснутых форсунками 19 и 20 за один рабочий ход поршня. Чем выше скорость движения поршня в цилиндре, тем меньше задержка начала впрыска топлива форсункой 19 после получения электронным блоком сигнала на впрыск от датчика 22, и наоборот, что позволяет поддерживать степень сжатия двигателя постоянной и делает его работу более мягкой. Одновременно изменяется и длительность впрыска топлива и воды. Т.к. с ростом скорости движения поршня в цилиндре увеличивается во второй степени запасаемая ими и всеми движущимися деталями двигателя кинетическая энергия, электронный блок учитывает это, осуществляя впрыск топлива и воды не только меньший период времени, соответственно увеличению скорости движения поршня в цилиндре, но и в течение меньшего пути, проходимого поршнем за рабочий ход. Если при низкой скорости движения поршня в цилиндре впрыск топлива и воды заканчивается при прохождении поршнем почти всего рабочего хода и по инерции поршень почти не движется, то с увеличением скорости его движения увеличивается и путь, проходимый им по инерции, т.к. расширяющиеся газы очень быстро теряют давление, а впрыск топлива и воды заканчивается раньше относительно проходимой поршнем части рабочего хода. Электронный блок сравнивает сигнал от датчика скорости движения поршня в цилиндре 23, умноженный на разность сигналов датчиков 21 давления в цилиндре, с опорным сигналом. Датчик 23 непрерывно посылает информацию о скорости движения поршней в электронный блок, который на основе этих данных устанавливает момент опережения впрыска топлива и длительность впрыска топлива форсункой 19, когда датчик положения поршня в цилиндре 22 подаст сигнал на впрыск топлива и длительность впрыска воды форсункой 20, после отсечки впрыска топлива. Впрыскиваемое топливо воспламеняется, давление в цилиндре растет, датчик давления в цилиндре 21 подаст сигнал в электронный блок, который вычтет из него сигнал датчика 21 противоположной части цилиндра, где в это время идет продувка, и умножит на сигнал датчика скорости движения поршня в цилиндре 23. Когда произведение сигналов этих датчиков сравняется с опорным сигналом, электронный блок уменьшит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. Но под давлением горячих газов поршень перемещается в противоположную сторону и сжимает там воздух, что ведет к резкому росту давления, и датчик 21 этой стороны цилиндра вычтет больший сигнал из сигнала датчика 21 в части цилиндра, где осуществляется рабочий ход, их производная становится меньше опорного сигнала, и электронный блок вновь увеличит количество топлива, впрыскиваемого форсункой 19. По достижении заданной длительности впрыска топлива происходит отсечка и давление в цилиндре падает, но форсунка 20 впрыска воды по сигналу электронного блока начинает впрыскивать воду, которая, испаряясь на пористом покрытии 8 поршня, вновь поднимает давление в цилиндре, которое регулируется количеством впрыскиваемой воды. Отсечка впрыска воды происходит, когда заданная длительность впрыска достигнута. При небольшой скорости движения поршня в цилиндре это происходит непосредственно перед открытием клапана 18 для выпуска. Отработанные газы вращают турбину компрессора, нагнетающего воздух через впускные каналы 17. При увеличении нагрузки на двигатель без увеличения опорного сигнала скорость движения поршня 5 в цилиндре уменьшится, датчик 23 скорости движения поршней в цилиндре подаст соответствующий сигнал в электронный блок, который увеличит и время впрыска топлива и воды и их количество, т.к. сигнал датчика 23 уменьшится, соответственно уменьшится и производная сигнала датчика 23 с разницей сигналов датчиков 21 давления, поэтому электронный блок увеличит давление в цилиндре, увеличив подачу топлива и воды, что увеличит крутящий момент двигателя. При этом электронный блок устроен так, что не может подать топлива больше, чем возможно по условиям полного сгорания. Благодаря электронному блоку и впрыску воды двигатель имеет восходящую характеристику крутящего момента, занимая промежуточное положение между паровой машиной и дизельным двигателем. Двигатель может работать при 150-200 тактах в минуту и меньше. С увеличением нагрузки его обороты падают, растет крутящий момент и наоборот. Двигатель может использоваться для приведения в движение транспортных средств без коробки передач. Для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное выходного вала с минимальными потерями на трение использован реечно-шестеренчатый механизм с муфтами свободного хода. При движении поршня 5 из одного крайнего положения в другое, зубчатая рейка 9, находящаяся в постоянном зацеплении с шестернями 10, также движется и заставляет вращаться эти шестерни в разные стороны относительно друг друга. Шестерни 10 сидят на валах 11 отбора мощности и благодаря муфтам при вращении в одну сторону передают им вращение, а в другую проскальзывают. Например, поршень движется влево. При этом верхняя (по чертежу) шестерня 10 вращается по часовой стрелке, ролик 12, подпружиненный пружиной 13, заклинит вал 11 отбора мощности относительно шестерни 10 и повернет на некоторый угол. Нижняя шестерня 10 при этом вращается против часовой стрелки, ее ролики 12 отжимают пружину 13, и проскальзывает относительно вала отбора мощности 11. При движении поршня 5 вправо верхняя шестерня 10 будет проскальзывать, а нижняя повернет свой вал отбора мощности. Каждый вал отбора мощности имеет шестерню 14 и обе они находятся в зацеплении с шестерней 15 выходного вала 16 двигателя таким образом, что при движении поршней влево выходной вал двигателя вращает один вал отбора мощности, а вправо другой, причем в одну сторону, что обеспечивает непрерывное и равномерное вращение выходного вала 16 двигателя. Применив зацепление с круговой линией зуба можно значительно повысить надежность данного механизма, уменьшить размеры шестерен. В описанной конструкции практически полностью отсутствует боковое давление на поршни, т.к. газы давят на поршни преимущественно вдоль их боковой линии. Использование керамических гильз и теплоизолирующих покрытий обеспечивает высокую рабочую температуру в цилиндре двигателя, что совместно с пористым покрытием рабочих сторон поршня позволяет впрыскивать и испарять большие количества воды, повышающей рабочее давление в цилиндре. Поршень может быть выполнен из керамики с закладными элементами крепления зубчатой рейки или алюминиевыми с покрытием из окиси алюминия. Зубчатая рейка имеет прямоугольное или круглое сечение, что обеспечивает высокую жесткость и малый вес, каждому валу отбора мощности могут передавать крутящий момент несколько параллельно работающих муфт, присоединенных к шестерням, что позволит увеличить крутящий момент, передаваемый ими.

    Формула изобретения

    1. Бесшатунный двигатель внутреннего сгорания содержащий по меньшей мере один цилиндр, закрытый с обеих сторон крышками с уплотнительными элементами и имеющий две камеры сгорания, размещенный в цилиндре поршень двустороннего действия с уплотнительными элементами, внутри которого на выходном валу, проходящем через него, и пазы в цилиндре установлены две муфты свободного хода, щеки которых через отверстия в боковинах поршня введены в вырезы цилиндра, где скреплены пальцами каналы для подачи воздуха или горючей смеси и каналы для выпуска отработанных газов, отличающийся тем, что двигатель снабжен электронным блоком и датчиком скорости движения поршня, цилиндр снабжен керамической гильзой и датчиками положения поршня, расположенными на боковой поверхности последнего, крышки снабжены теплоизолирующим покрытием и в них размещены клапаны для выпуска, форсунки впрыска топлива и воды и датчики давления в цилиндре, рабочие стороны поршня снабжены теплоизолирующим покрытием из материала с высокой теплопроводностью и теплоемкостью, причем поршень снабжен зубчатой рейкой, установленной с образованием постоянного зацепления по меньшей мере с двумя шестернями, каждая из которых посредством муфт свободного хода связана со своим валом отбора мощности, а последние с шестерней выходного вала, датчик скорости движения поршня в цилиндре установлен вблизи рейки и подключен к электронному блоку совместно с упомянутыми датчиками, с образованием системы управления впрыском топлива и воды. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что устройство для подачи воздуха в камеры сгорания содержит отдельный компрессор, сообщенный с одноименными каналами цилиндра и приводимый энергией отработанных газов. 3. Двигатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что поршень выполнен из керамики и в нем закреплены закладные элементы крепления рейки. 4. Двигатель по пп.1 3, отличающийся тем, что муфты свободного хода расположены сбоку от шестерен валов отбора мощности. 5. Двигатель по пп.1 4, отличающийся тем, что снабжен дополнительными муфтами свободного хода, причем на каждом валу отбора мощности расположены несколько муфт, соединенных параллельно. 6. Двигатель по пп.1, 2, 4 и 5, отличающийся тем, что поршень выполнен из алюминия, а его покрытие из окиси алюминия. 7. Двигатель по пп.1 6, отличающийся тем, что зубчатая рейка с шестернями образуют зацепление с круговой линией зуба.

    РИСУНКИ

    Рисунок 1

    www.findpatent.ru