автономный поршень бинарного двигателя внутреннего сгорания

Формула изобретения

Автономный поршень бинарного двигателя внутреннего сгорания, состоящий из корпуса, представляющего полый цилиндр с концентрическими торцевыми полками, ограничивающими внутреннюю полость со стороны камеры нагнетания и со стороны камеры сгорания, в которой располагается шайба, перфорированная сквозными каналами, с возможностью обеспечения при соответствующих перепадах давлений между камерами прижатие шайбы к торцевой полке со стороны камеры нагнетания для разобщения камер, перевод шайбы во взвешенное состояние для сообщения камер и возвращение шайбы на полку для разобщения камер, отличающийся тем, что прижатие шайбы к полке и перевод ее во взвешенное состояние обеспечиваются за счет разности площадей, открытых для воздействия сред по обе стороны шайбы при ее положении на полке со стороны камеры нагнетания, а возвращение шайбы на полку в процессе сгорания обеспечивается подбором диаметра и длины каналов, а также степени перфорации шайбы, причем диаметры шайбы D и расточки торцевой полки корпуса со стороны камеры нагнетания D_CB связаны с перепадом давлений р_CP в камерах, при котором начинается сообщение камер, условием

где р_КС - давление рабочего тела в камере сгорания перед началом сообщения камер,

р _КН - давление рабочего тела, действующее на шайбу со стороны камеры нагнетания, а степень перфорации шайбы принимается в диапазоне значений

0,01 s/S<0,4,

где s - суммарная площадь проходных сечений каналов, перфорирующих шайбу, а S - площадь этой шайбы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработки и создания поршневых двигателей внутреннего сгорания, а именно бинарных ДВС, у которых рабочий объем цилиндра разделен на две изолированные друг от друга камеры автономным поршнем, не связанным с валом двигателя.

Известно устройство автономного поршня бинарного ДВС, который разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания и состоит из корпуса, представляющего полый цилиндр с концентрическими торцевыми полками, ограничивающими его внутреннюю полость со стороны камеры нагнетания и со стороны камеры сгорания, в которой располагаются шайба, перфорированная сквозными каналами, и упругий элемент, обеспечивающий, при соответствующих перепадах давлений между камерами прижатие шайбы к торцевой полке со стороны камеры нагнетания для разобщения камер, перевод шайбы во взвешенное положение для сообщения камер, возвращение шайбы на полку для разобщения камер. Указанное устройство описано в патенте №2146007 от 27.02.2000 г. МПК F02В 3/4, 25/10 и принято за прототип.

Недостатком прототипа является наличие упругого элемента в виде цилиндрической пружины, что увеличивает размер и массу автономного поршня, а так же ограничивает время подачи свежей порции окислителя в камеру сгорания из-за преждевременного возвращения шайбы на торцевую полку со стороны камеры нагнетания. Отмеченные недостатки обуславливают ограничение работоспособности двигателя.

Целью изобретения является сокращение размера и массы автономного поршня и увеличение времени на подачу свежей порции окислителя в камеру сгорания.

Указанная цель достигается тем, что из устройства исключен упругий элемент, а его функции выполняют рабочие тела, находящиеся в камерах нагнетания и сгорания, при этом прижатие шайбы к полке и перевод ее во взвешенное состояние обеспечивается за счет разности площадей открытых для воздействия сред по обе стороны шайбы при ее положении на полке со стороны камеры нагнетания, а своевременное возвращение шайбы на полку в процессе сгорания обеспечивается подбором диаметра и длины каналов, а так же степени перфорации шайбы.

На фиг.1 представлено устройство предлагаемого автономного поршня. Здесь 1 - корпус поршня; 2 - шайба; 3 - каналы, перфорирующие шайбу; 4 - торцевая полка корпуса поршня со стороны камеры нагнетания; 5 - упор; 6 - корпус цилиндра двигателя.

На фиг.2 представлена схема действия рабочих тел на шайбу со стороны каждой из камер. Здесь D - диаметр шайбы 2, D_СВ -диаметр концентрической расточки торцевой полки 4 (диаметр в свету), р _КН, F_КН и р_КС , F_КС - давления сред и силы, действующие на шайбу со стороны камер нагнетания и сгорания соответственно.

На обеих фигурах левая половина рисунка представляет автономный поршень в период, когда шайба прижата к полке со стороны камеры нагнетания, т.е. при разобщении камер, а правая - когда шайба переведена во взвешенное положение, т.е. при сообщении камер.

Устройство работает следующим образом.

На шайбу 2 действуют силы, обусловленные давлением рабочих тел, находящихся в камерах. Так, со стороны камеры нагнетания действует сила F _КН=р_КН·S_КН , а со стороны камеры сгорания действует сила F _КС=р_КС·S_КС . Площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры сгорания равна площади самой шайбы S и остается постоянной при любом положении шайбы. Площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры нагнетания S_КН, зависит от положения шайбы: в случае "взвешенного" положения шайбы 2, S_КН=S и определяется диаметром самой шайбы D, а в случае положения шайбы на полке 4 S_КН=S_СВ и определяется диаметром расточки этой полки (диаметром в свету) D _СВ.

В общем случае на шайбу действует результирующая сила

где сила F_ИН - обобщающая сила, учитывающая инерционные и гравитационные воздействия на шайбу. Поскольку в момент перехода поршня из режима разобщения в режим сообщения камер, F_ИН значительно меньше остальных сил, ее можно не учитывать. В этом случае результирующая сила определяется проще:

Из последнего выражения следует, что результирующая сила может иметь различный знак, т.е. различное направление относительно полки 4. При положительном значении сила F прижимает шайбу 2 к полке 4, а при отрицательном отжимает и стремится перевести шайбу 2 во взвешенное положение. В положении шайбы 2 на полке 4 каналы 3 перекрыты полкой 4 и камеры разобщены. При взвешенном положении шайбы открывается доступ свежей порции окислителя к каналам 3, по которым окислитель из камеры нагнетания поступает в камеру сгорания - камеры между собой сообщены.

Поэтому различные режимы работы автономного поршня можно выразить математически следующим образом:

- режим разобщения камер;

- режим сообщения камер, а переход поршня из режима разобщения камер в режим их сообщения происходит при:

Положительное значение результирующей силы F при взвешенном положении шайбы обеспечивается за счет положительной разности давлений (р_КС-p _КН)>0. При положении шайбы 2 на полке 4 положительное значение силы F может сохраняться и при отрицательной разности давлений (р_КС-р_КН )<0. В последнем случае необходимо соответствующим образом подобрать соотношение площадей шайбы, находящихся под воздействием рабочих тел со стороны камеры сгорания (S_КС ) и со стороны камеры нагнетания (S_КН).

В момент, когда автономный поршень достигает упора, давление в камерах примерно одинаковое. В результате того, что площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры сгорания больше, чем площадь шайбы, открытая для воздействия среды со стороны камеры нагнетания, шайба продолжает прижиматься к торцевой полке. После того, как автономный поршень останавливается, давление в камере сгорания перестает расти, а в камере нагнетания давление продолжает увеличиваться. Через некоторое время наступает момент, когда F_КН становится больше F _КС и шайба начинает переходить во взвешенное положение. Такой момент отражен на фиг.2, а.

Если через р_СР обозначить перепад срабатывания, т.е. перепад давлений между камерами, при котором шайба переводится во взвешенное положение и происходит переход поршня с режима разобщения в режим сообщения камер, то условие срабатывания поршня можно представить как:

Знак ">" учитывает, при необходимости, наличие инерционной составляющей F_ИН.

Таким образом, при заданом давлении в камере сгорания р _КС и выбранном перепаде срабатывания р_СР определяется геометрия торцевой полки автономного поршня со стороны камеры нагнетания, а именно диаметр ее расточки (диаметр в свету) D_CB .

После того, как шайба переводится во взвешенное положение, площади, открытые для воздействия сред по обе стороны шайбы, становятся одинаковыми, равными S. В течение некоторого периода времени между камерами будет сохраняться отрицательный перепад давлений и поэтому шайба будет продолжать оставаться во взвешенном положении, а среда из камеры нагнетания по сквозным каналам 3 шайбы 2 будет поступать в камеру сгорания.

С началом процесса окисления давление в камере сгорания начнет повышаться. Возвращение шайбы на торцевую полку происходит при том же положении автономного поршня на упоре, когда в результате быстрого нарастания давления в камере сгорания в процессе основного тепловыделения, возникает положительный перепад давлений, действующих по разные стороны шайбы. Такой момент отражен на фиг.2, b.

При положительном перепаде давлений возможен обратный переток рабочего тела из камеры сгорания в камеру нагнетания. Для исключения такого негативного явления необходимо обеспечить своевременное возвращение шайбы 2 на полку 4. С этой целью достаточно согласовать скорость изменения давления в процессе сгорания с диаметром и длиной каналов, а так же со степенью перфорации шайбы s/S, где S - суммарная площадь проходных сечений каналов, перфорирующих шайбу.

Для законов тепловыделения существующих двигателей степень перфорации шайбы может изменяться в диапазоне: