Турбовариатор

Турбодвигатель (варианты - турбопоршневой двигатель, турбореактивный

двигатель)

Описание к заявке на изобретение

Предполагаемая группа изобретений относится к машиностроению и может быть применена в двигателях вообще, в двигателях внутреннего сгорания, в гидравлических машинах и двигателях, в гидравлических машинах объемного вытеснения, в деталях машин.

Единый общий изобретательский замысел предполагаемых изобретений заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях и при движении потоков жидкостей, а также в одновременном использовании :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Комплексный подход к использованию и оптимизации различных категорий газодинамических и гидродинамических энергий позволяет повысить степень использования энергии рабочего тела для совершения механической работы и соответственно повысить мощность и КПД двигателей.

Уровень техники

Известны различные способы работы двигателя внутреннего сгорания, которые можно разделить: - простейший способ с устройством четырёхтактного цикла «впуск - сжатие - рабочий ход - выпуск», при этом между тактом выпуска и тактом впуска существует некоторый временной промежуток их взаимного наложения, что изложено в технической литературе, например httos ://infopedia.su/5x51 ee.html Руководстве по эксплуатации Ха 850.3902150 двигателей ЯМЗ-850.10ЯМЗ-8501.10 ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ" (Ярославский моторный завод);

- усовершенствованные способы с применением турбонаддува, подачей в цилиндры предварительно сжатых компонентов топливной смеси, с использованием шеститактного цикла и пр., что изложено например : в учебных материалах ///// Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М.Г.Шатров, К.А.Морозов, И.В. Алексеев и др.] ; под ред. М. Г.Шатрова.— 3-е изд., испр. и доп.— М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5-4468-0186-2, ///// Тер-Мкртичьян, Г.Г. «Двигатели внутреннего сгорания с нетрадиционными рабочими циклами» учеб, пособие / Г.Г. Тер-Мкртичьян. - М.: МАДИДБВЫ 978-5-7962-0202-9, УДК 621.43, ББК 31.365 /.

Общим недостатком известных из уровня техники способов работы двигателя внутреннего сгорания является неполноценное очищение цилиндра после такта выпуска, особенно в двигателях с турбонаддувом ввиду повышенного сопротивления турбины улиткообразного типа выходу выхлопных газов. Для повышения степени очистки цилиндра после такта выпуска прибегают к более позднему (на 5° - 15°) закрытию выхлопного клапана после прохождения поршнем ВМТ (верхней мёртвой точки) и более раннему (на 5° - 10°) открытию впускного клапана до прохождения поршнем ВМТ. Но из-за совместного открытия клапанов часть выхлопных газов может попадать во впускной коллектор и вследствие этого ухудшать КПД (коэффициент полезного действия) и мощность двигателя.

Известны различные способы работы двигателей турбинного типа, которые можно разделить:

- турбины на принципе Тесла с подачей рабочего тела в направлении по касательной к окружности колеса турбины с переходом в процессе работы рабочего тела к центру вращения колеса турбины;

- работающие по принципу водяного колеса с одновременным использованием кинетической, потенциальной энергий и выходом рабочего тела в процессе работы по направлению касательной линии к окружности колеса;

- турбины на принципе Лаваля с подачей рабочего тела продольно оси вращения колеса турбины.

Известные способы работы двигателей турбинного типа изложены в технической и патентной литературе, например в учебном пособии Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кафедры ТГТД МГТУ «МАМИ» Б. Н. Давыдков В. Н. Каминский «Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей» Учебное пособие для студентов специальностей 140501.65 «Дв ^и гатели внутреннего сгорания», 140503.65 «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели», патенте РФ 2016221 «Гидравлическая реактивная турбина».

Общим недостатком известных устройств является недоиспользование выделяемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях, а также в отсутствие одновременного использования :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

1) Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырёхтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М. Г. Шатров, К. А. Морозов, И. В. Алексееви др.] ; под ред. М. Г. Шатрова. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5- 4468-0186-2 ) (стр. 23 - 25).

Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя— впуск— реализуется при повороте кривошипа коленчатого вала (ПКВ) от 0 до 180°. Применительно к рабочему циклу поршневого двигателя понятия «такт» и «процесс» не совпадают, поскольку для лучшей организации процессов газообмена впускные и выпускные клапаны открываются до начала соответствующих тактов и закрываются после их завершения.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом происходит из- за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону НМТ (нижней мертвой точки).

Давление в конце такта впуска для безнаддувного двигателя внутреннего сгорания = 0,08 ... 0,09 МПа

На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение вследствие испарения топлива Для повышения полноты испарения иногда используется специальный подогрев ТВС (ток высокой частоты) во впускном трубопроводе либо горячей жидкостью из системы охлаждения, либо отработавшими газами). Температура свежего заряда в цилиндре увеличивается также вследствие перемешивания его с горячими остаточными газами. На режиме номинальной мощности в двигателе с искровым зажиганием превалирует подогрев свежего заряда, и Та = 320 ... 380 К.

Чем больше уровень газодинамических потерь, выше подогрев свежего заряда, больше количество продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, тем меньше свежего заряда поместится в нем к концу процесса впуска.

Второй такт работы двигателя— сжатие— осуществляется при повороте кривошипа на угол ф от 180 до 360° ПКВ (поворот коленчатого вала).

Третий такт работы двигателя— расширение (ф от 360 до540° ПКВ)— включает в себя сгорание основной доли поданногов цилиндр топлива, расширение рабочего тела и выполнение полезной работы.

В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана доприхода поршня в НМТ.

Четвертый такт работы двигателя— выпуск (ф от 540 до720° ПКВ) — осуществляется при давлении г = 0,105 ... 0,12 МПа, зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе.

Известный способ не обеспечивает достаточно полное освобождение цилиндров из-за остаточного давления в выпускной системе, создаваемого газовыми потоками предыдущих выпусков, а в двигателях с турбонаддувом - остаточное давление в выпускном коллекторе обусловлено ещё и повышенным сопротивлением выходу отработанных газов турбины с улиткообразным корпусом.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания.

Оптимизация позволяет повысить степень использования энергии рабочего тела для совершения механической работы и соответственно повысить мощность и КПД двигателя внутреннего сгорания.

Технический результат достигается следующим.

В способ работы двигателя, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск) (ф от 540 до 720° ПКВ соткрытием выпускного клапана до прихода поршня в НТМ) добавляют пятый такт - путём разделения такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с выпуском газов соответственно через клапан высокого давления в тракт выпуска газов высокого давления и через клапан низкого давления в тракт выпуска газов низкого давления.

На фиг. 1 и 2 проиллюстрирован принцип осуществления способа. На фиг. 1 изображён график осуществления известного способа, а на фиг. 2 изображён график осуществления предлагаемого способа.

Отличие предлагаемого способа от известных в следующем.

После такта расширения и поворота коленчатого вала на угол а (фиг. 1 и 2) и начала открытия выпускного клапана совершается четвёртый такт выпуска при величине поворота коленчатого вала на угол bΐ (фиг. 2). Давление газов на четвёртом такте падает с 1-0,5 до 0, 2-0,3 МПа. Газы высокого давления направляются в тракт выпуска газов высокого давления.

Непосредственно за четвёртым тактом следует пятый такт выпуска газов низкого давления и происходит поворот коленчатого вала на угол b2 (фиг. 2). Газы низкого давления направляются в тракт выпуска газов низкого давления. Давление газов на пятом такте в предлагаемом способе может быть ниже на величину до ОД МПа, чем в известных способах. Это объясняется тем, что аэродинамическое сопротивление выпуску газов в предлагаемом способе значительно ниже, чем в известных способах.

Четвёртый и пятый такт следуют непосредственно один за другим, но из-за времени, требуемого на открытие и закрытие выпускных клапанов, устанавливают некоторый угол поворота коленчатого вала у, при котором оба выпускных клапана открыты совместно.

2) Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырёхтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М. Г. Шатров, К. А. Морозов, И. В. Алексееви др.] ; под ред. М. Г. Шатрова. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5- 4468-0186-2 ) (стр. 23 - 25).

Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя— впуск— реализуется приповороте кривошипа коленчатого вала (ПКВ) от 0 до 180°,. Применительно к рабочему циклу поршневого двигателя понятия «такт» и «процесс» не совпадают, поскольку для лучшей организации процессов газообмена впускные и выпускные клапаны открываются до начала соответствующих тактов и закрываются после их завершения.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом происходит из- за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону нижней мертвой точки (НМТ).

Давление в конце такта впуска для безнаддувного двигателя внутреннего сгорания = 0,08 ... 0,09 МПа.

На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камерусгорания, и его охлаждение вследствие испарения топлива. Дляповышения полноты испарения иногда используется специальный подогрев ТВС во впускном трубопроводе либо горячей жидкостью из системы охлаждения, либо отработавшими газами. Температура свежего заряда в цилиндре увеличивается также вследствиеперемешивания его с горячими остаточными газами. На режименоминальной мощности в двигателе с искровым зажиганием превалирует подогрев свежего заряда, и Та = 320 ... 380 К.

Чем больше уровень газодинамических потерь, выше подогрев свежего заряда, больше количество продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, тем меньше свежего заряда поместится в нем к концу процесса впуска.

Второй такт работы двигателя— сжатие— осуществляется при повороте кривошипа на угол ф от 180 до 360°.

Третий такт работы двигателя— расширение (ф от 360 до 540° ПКВ)— включает в себя сгорание основной доли поданногов цилиндр топлива, расширение рабочего тела и выполнение полезной работы.

В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана доприхода поршня в НМТ.

Четвертый такт работы двигателя— выпуск (ф от 540 до720° ПКВ) — осуществляется при давлении рг = 0,105 ... 0,12 МПа, зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе.

Известный способ имеет существенный недостаток из-за совместного открытия впускного и выпускного клапанов при смене тактов «выпуск - впуск», из- за чего выхлопные газы частично поступают во впускной коллектор.

На карбюраторных двигателях этот недостаток проявляется в виде вспышек во входном коллекторе («чихания в карбюратор»), в виде нагара на внутренней поверхности впускного коллектора, в виде нагара на поверхностях газового тракта карбюратора. На дизельных двигателях - в виде нагара на внутренней поверхности впускного коллектора.

Смешивание выхлопных газов с рабочей смесью и/или свежим воздухом приводит к падению мощности двигателя. Наиболее выраженно описанный недостаток проявляется в многоцилиндровых двигателях с турбонадцувом, где прибегают к наибольшему углу совместного открытия клапанов.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания путём более полноценного очищения цилиндра после такта выпуска разделением четвёртого такта, что обеспечивает возможность минимизации периода времени совместного открытия впускного и выпускного клапанов.

Минимизации периода времени совместного открытия впускного и выпускного клапанов при смене тактов «выпуск - впуск» позволяет повысить качество рабочего тела и как следствие, степень использования энергии рабочего тела для совершения механической работы и соответственно повысить мощность и КПД двигателя внутреннего сгорания.

Технический результат достигается следующим. В способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактный раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск), включают разделение четвертого такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления. Таким образом создают пятый такт выпуска газов низкого давления, чем обеспечивают наиболее полную очистку цилиндра от выхлопных газов в конце такта выпуска. Это позволяет выполнить угол поворота коленчатого вала в период совместного открытия выпускного и впускного клапанов между тактом выпуска и тактом впуска минимально возможным.

На фиг. 1 и 3 проиллюстрирован принцип осуществления способа. На фиг. 1 изображён график осуществления известного способа, а на фиг. 3 изображён график осуществления предлагаемого способа.

Отличие предлагаемого способа от известных в следующем.

После такта расширения и поворота коленчатого вала на угол ctl (фиг. 3) и начала открытия выпускного клапана совершается четвёртый такт выпуска при величине поворота коленчатого вала на угол bΐ (фиг. 3). Давление газов на четвёртом такте падает с 1-0,5 до 0, 2-0,3 МПа. Газы высокого давления направляются в тракт выпуска газов высокого давления.

Непосредственно за четвёртым тактом следует пятый такт выпуска газов низкого давления и происходит поворот коленчатого вала на угол b2 (фиг. 3). Газы низкого давления направляются в тракт выпуска газов низкого давления. Давление газов на пятом такте в предлагаемом способе может быть ниже, чем в известных способах и достигать до 0,1 МПа. Это объясняется тем, что аэродинамическое сопротивление выпуску газов в предлагаемом способе значительно ниже, чем в известных способах.

Таким образом, пятый такт обеспечивает снижение давления в выпускном тракте, а в конце такта выпуска происходит наиболее полное очищение цилиндра от выхлопных газов. Это позволяет выполнить угол поворота Коленчатого вала в период совместного открытия выпускного и впускного клапанов между тактом выпуска и тактом впуска минимально возможным.

Некоторый остаточный угол / совместного открытия клапанов объясняется наличием тепловых зазоров между клапанами и толкателями клапанов.

Минимально возможный угол / совместного открытия клапанов коррелирует с размерами тепловых зазоров между клапанами и толкателями клапанов.

3) Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырёхтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М. Г. Шатров, К. А. Морозов, И. В. Алексееви др.] ; под ред. М. Г. Шатрова. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5- 4468-0186-2 ) (стр. 23 - 25).

Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя— впуск— реализуется приповороте кривошипа коленчатого вала (ПКВ) от 0 до 180°. Применительно к рабочему циклу поршневого двигателя понятия «такт» и «процесс» не совпадают, поскольку для лучшейорганизации процессов газообмена впускные и выпускные клапаны открываются до начала соответствующих тактов и закрываются после их завершения.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом происходит из- за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону нижней мертвой точки (НМТ).

Давление в конце такта впуска для безнадцувного двигателя внутреннего сгорания = 0,08 ... 0,09 МПа

На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение вследствие испарения топлива. Для повышения полноты испарения иногда используется специальный подогрев ТВС во впускном трубопроводе либо горячей жидкостьюиз системы охлаждения, либо отработавшими газами. Температура свежего заряда в цилиндре увеличивается также вследствие перемешивания его с горячими остаточными газами. На режиме номинальной мощности в двигателе с искровым зажиганием превалирует подогрев свежего заряда, и Та = 320 ... 380 К.

Чем больше уровень газодинамических потерь, выше подогрев свежего заряда, больше количество продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, тем меньшесвежего заряда поместится в нем к концу процесса впуска

Второй такт работы двигателя— сжатие— осуществляется при повороте кривошипа на угол ф от 180 до 360°.

Третий такт работы двигателя— расширение (ф от 360 до540° ПКВ)— включает в себя сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива, расширение рабочего тела и выполнение полезной работы.

В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана доприхода поршня в НМТ.

Четвертый такт работы двигателя— выпуск (ф от 540 до720° ПКВ)— осуществляется при давлении рг = 0,105 ... 0,12 МПа, зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе. Известный способ имеет существенный недостаток из-за раннего открытия выпускного клапана при завершении такта «выпуск», из-за чего мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Но это необходимо в известном уровне техники из-за необходимости наиболее полного освобождения цилиндров от отработанных газов. Так, на многоцилиндровых двигателях угол опережения открытия выпускного клапана может достигать 60 градусов до НМТ. В это время давление в цилиндре дизельного двигателя может составлять около 1 МПа.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания путём более позднего, до 15 градусов по сравнению с четырёхтактными двигателями-аналогами, открытию выпускного клапана высокого давления.

Технический результат достигается следующим.

В способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактный раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск), включают разделение четвёртого такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления. Таким образом создают пятый такт выпуска газов низкого давления, чем обеспечивают наиболее полную очистку цилиндра от выхлопных газов в конце такта выпуска. Это позволяет увеличить угол поворота коленчатого вала на такте расширения до 15 градусов относительно четырёхтактных двигателей- аналогов.

Например, для двигателя с рабочим ходом 150 мм, диаметром поршня 150 мм, углом опережения открытия выпускного клапана 60 градусов увеличение угла поворота коленчатого вала на 15 градусов позволит получить полезную работу при среднем давлении на поршень 1 МПа:

(sin 45° - sin 60°) * 0,075м * 3,14*(0,075м) ² * 1 000 000 Па = 211 Дж

где:

0,075м - радиус вращения коленчатого вала,

3,14*(0,075м) ² площадь поршня,

(sin 45° - sin 60°) * 0,075м приращение рабочего хода.

При числе цилиндров 12 и оборотах двигателя 40 об/с (2400 об/мин) прирост мощности составит :

12 цилиндров * 20 рабочих ходов в секунду * 211 Дж = 50 кВт. Если мощность двигателя-аналога составляла 200 кВт, то прирост мощности в предлагаемом способе составит 25 %. Или на эту же величину снизится расход топлива при эксплуатации двигателя на прежней мощности.

На фиг. 1 и 4 проиллюстрирован принцип осуществления способа. На фиг. 1 изображён график осуществления известного способа, а на фиг. 4 изображён график осуществления предлагаемого способа.

Отличие предлагаемого способа от известных в следующем.

После такта расширения и поворота коленчатого вала на угол а происходит более позднее открытие выпускного клапана, и коленчатый вал проворачивается при рабочем ходе на угол aΐ, получая приращение угла рабочего хода на величину W (фиг. 3), далее совершается четвёртый такт выпуска при величине поворота коленчатого вала на угол bΐ (фиг. 4). Давление газов на четвёртом такте падает с 1-0,5 до 0, 2-0,3 МПа. Газы высокого давления направляются в тракт выпуска газов высокого давления.

Непосредственно за четвёртым тактом следует пятый такт выпуска газов низкого давления и происходит поворот коленчатого вала на угол b2 (фиг. 4). Газы низкого давления направляются в тракт выпуска газов низкого давления. Давление газов на пятом такте в предлагаемом способе может быть ниже, чем в известных способах и достигать до 0,1 МПа. Это объясняется тем, что газодинамическое сопротивление выпуску газов в предлагаемом способе значительно ниже, чем в известных способах.

Таким образом, пятый такт обеспечивает снижение давления в выпускном тракте, а в конце такта выпуска происходит наиболее полное очищение цилиндра от выхлопных газов. Это позволяет увеличить угол поворота коленчатого вала на такте расширения до 15 градусов относительно четырёхтактных двигателей-аналогов.

4) Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырёхтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М. Г. Шатров, К. А. Морозов, И. В. Алексееви др.] ; под ред. М. Г. Шатрова. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5- 4468-0186-2 ) (стр. 23 - 25).

Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя— впуск— реализуется приповороте кривошипа коленчатого вала (ПКВ) от 0 до 180°. Применительно к рабочему циклу поршневого двигателя понятия «такт» и «процесс» не совпадают, поскольку для лучшей организации процессов газообмена впускные и выпускные клапаны открываются до начала соответствующих тактов и закрываются после их завершения. Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом происходит из- за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону нижней мертвой точки (НМТ).

Давление в конце такта впуска для безнаддувного двигателя внутреннего сгорания = 0,08 ... 0,09 МПа.

На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение вследствие испарения топлива. Для повышения полноты испарения иногда используется специальный подогрев ТВС во впускном трубопроводе либо горячей жидкостьюиз системы охлаждения, либо отработавшими газами. Температура свежего заряда в цилиндре увеличивается также вследствие перемешивания его с горячими остаточными газами. На режиме номинальной мощности в двигателе с искровым зажиганием превалирует подогрев свежего заряда, и Та = 320 ... 380 К.

Чем больше уровень газодинамических потерь, выше подогрев свежего заряда, больше количество продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, тем меньше свежего заряда поместится в нем к концу процесса впуска.

Второй такт работы двигателя— сжатие— осуществляется при повороте кривошипа на угол ф от 180 до 360°.

Третий такт работы двигателя— расширение (ф от 360 до540° ПКВ)— включает в себя сгорание основной доли поданного в цилиндр топлива, расширение рабочего тела и выполнение полезной работы.

В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана доприхода поршня в НМТ.

Четвертый такт работы двигателя— выпуск (ф от 540 до720° ПКВ) — осуществляется при давлении рг = 0,105 ... 0,12 МПа, зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе.

Известный способ имеет существенный недостаток из-за неполного освобождения цилиндров от отработанных газов при завершении такта «выпуск», из-за чего мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Неполное освобождение цилиндров от отработанных газов вызвано газодинамическим сопротивлением в выпускном тракте двигателя. Это сопротивление увеличивается с ростом числа цилиндров, особенно в V-образных двигателях с одной выхлопной трубой и/или общим турбокомпрессором при объединении выпускных каналов цилиндров посредством коллектора.

Так как такт выпуска составляет более 90 градусов, то в момент завершения такта выпуска в каком-либо цилиндре из другого цилиндра на начальной стадии такта выпуска в коллектор выбрасываются газы высокого давления - таким образом в коллекторе постоянно сохраняется избыточное давление. По этой причине падает мощность двигателя, а для освобождения цилиндров от отработанных газов прибегают к закрытию выпускного клапана после прохождения ВМТ при открытом впускном клапане, что в свою очередь также ведёт к попаданию отработанных газов во впускной коллектор, ухудшению качества рабочего тела.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания путём разделения такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с выпуском газов соответственно через турбодвигатель в тракт выпуска газов высокого давления и через вакуумный насос в тракт выпуска газов низкого давления.

Технический результат достигается следующим.

В способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактный раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск), включают разделение четвёртого такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления. Таким образом создают пятый такт выпуска газов низкого давления, чем обеспечивают разделение такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с выпуском газов соответственно через турбодвигатель в тракт выпуска газов высокого давления и через вакуумный насос в тракт выпуска газов низкого давления.. Это позволяет обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в свою очередь позволяет поднять мощность двигателя за счёт меньшего газодинамического сопротивления выходу отработанных газов при движении поршня от НМТ к ВМТ.

Например, для двигателя с рабочим ходом 150 мм, диаметром поршня 150 мм, падение среднего давления выпуска отработанных газов на 0,05 МПа позволит получить полезную работу:

0,150м * 3,14*(0,075м) ² * 50 000 Па = 132Дж

где:

0,150м - ход поршня,

3,14*(0,075м) ² площадь поршня.

При числе цилиндров 12 и оборотах двигателя 40 об/с (2400 об/мин) прирост мощности составит :

12 цилиндров * 20 рабочих ходов в секунду * 132 Дж = 30 кВт. Если мощность двигателя-аналога составляла 200 кВт, то прирост мощности в предлагаемом способе составит 15 %. Или на эту же величину снизится расход топлива при эксплуатации двигателя на прежней мощности.

На фиг. 1 и 2 проиллюстрирован принцип осуществления способа. На фиг. 1 изображён график осуществления известного способа, а на фиг. 4 изображён график осуществления предлагаемого способа.

Отличие предлагаемого способа от известных в следующем.

После такта расширения и поворота коленчатого вала на угол а происходит открытие выпускного клапана высокого давления с направлением газов высокого давления в турбодвигатель, при этом коленовал поворачивается на угол bΐ (фиг. 2), выполняя четвёртый такт работы двигателя. Давление газов в цилиндре на четвёртом такте работы двигателя колеблется от 1 до 0,2 МПа и зависит от типа и индивидуальных характеристик двигателя.

До завершения четвёртого такта выпуска начинается пятый такт выпуска с открытием выпускного клапана и направлением выпускных газов в вакуумный насос, при этом коленовал поворачивается на угол b2 (фиг. 2), выполняя пятый такт работы двигателя. Давление газов в цилиндре на пятом такте работы двигателя составляет 0,1 МПа или ниже и зависит от типа и индивидуальных характеристик двигателя.

Таким образом, пятый такт обеспечивает снижение давления в выпускном тракте до уровня атмосферного или ниже, а в конце такта выпуска происходит наиболее полное очищение цилиндра от выхлопных газов. Это позволяет обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в свою очередь позволяет поднять мощность двигателя за счёт меньшего газодинамического сопротивления выходу отработанных газов при движении поршня от НМТ к ВМТ.

5) Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырёхтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания ЯМЗ-850.10, ЯМЗ-850.10-01, ЯМЗ-8501.10

Ярославского моторного завода ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ" (Руководство по эксплуатации 850.3902150 РЭ).

Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск) с фазами газораспределения:

- впускные клапаны - открытие 10° до ВМТ, закрытие 46° после НМТ;

- выпускные клапаны - открытие 66° до НМТ, закрытие 10° после ВМТ.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежимзарядом происходит из-за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону нижней мертвой точки (НМТ).

Давление в конце такта впуска для безнадцувного двигателя внутреннего сгорания = 0 _> 118 МПа.

Второй такт работы двигателя— сжатие— осуществляется при повороте кривошипа на угол ф от 226 до 360°.

Третий такт работы двигателя— расширение (ф от 360 до 426° ПКВ).

В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана доприхода поршня в НМТ.

Четвертый такт работы двигателя— выпуск (ф от 426 до730° ПКВ) — осуществляется при давлении рг = 1,0 ... 0,12 МПа,зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе.

Известный способ имеет существенный недостаток из-за раннего открытия выпускного клапана, неполного освобождения цилиндров от отработанных газов при завершении такта «выпуск», из-за чего мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Неполное освобождение цилиндров от отработанных газов вызвано газодинамическим сопротивлением в выпускном тракте двигателя.

Так как такт выпуска составляет более 90 градусов, то в момент завершения такта выпуска в каком-либо цилиндре из другого цилиндра на начальной стадии такта выпуска в коллектор выбрасываются газы высокого давления - таким образом в коллекторе постоянно сохраняется избыточное давление. По этой причине падает мощность двигателя, а для освобождения цилиндров от отработанных газов прибегают к закрытию выпускного клапана после прохождения ВМТ при открытом впускном клапане, что в свою очередь также ведёт к попаданию отработанных газов во впускной коллектор, ухудшению качества рабочего тела.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания путём разделения такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления с фазами газораспределения:

- впускные клапаны - открытие 0-1° после ВМТ, закрытие 20-30° после НМТ;

- выпускные клапаны высокого давления - открытие 20-30° до НМТ, закрытие 10-20° после НМТ;

- выпускные клапаны низкого давления - открытие 0-10° до НМТ, закрытие 1- 2° после ВМТ.

Технический результат достигается следующим. В способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактный раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск), включают разделение четвёртого такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления. Таким образом создают пятый такт выпуска газов низкого давления, чем обеспечивают разделение такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления с фазами газораспределения:

- впускные клапаны - открытие 0-1° после ВМТ, закрытие 20-30° после НМТ;

- выпускные клапаны высокого давления - открытие 20-30° до НМТ, закрытие 10-20° после НМТ ;

- выпускные клапаны низкого давления - открытие 0-10° до НМТ, закрытие 1- 2° после ВМТ. Это позволяет увеличить рабочий ход поршня, снизить газодинамическое сопротивление отработанных газов на выходе их из цилиндров, обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в совокупности позволяет поднять мощность двигателя.

Отличие предлагаемого способа от известного в следующем.

Впускной клапан начинает открываться при угле 0-1° после ВМТ, что обеспечивает практически полное отсутствие совместного открытия клапанов при переходе от такта ((выпуск» к такту «впуск», т. к. окончание закрытия выпускного клапана низкого давления происходит при угле поворота коленчатого вала 1-2° после ВМТ. На величину совместного открытия клапанов влияет величина теплового зазора и его изменение в процессе работы двигателя. Впускной клапан закрывается при угле поворота коленчатого вала 20-30° после НМТ. Фактически устанавливают углы открытия и закрытия клапанов опытным путём, испытывая двигатель на разных режимах работы.

Далее происходит такт сжатия до угла поворота коленчатого вала 360°.

При рабочем ходе выпускной клапан высокого давления открываетсяпри угле 20-30° до НМТ, а газы высокого давления направляются на турбодвигатель или в тракт выпуска газов высокого давления. Закрытие клапана высокого давления происходит при угле поворота коленчатого вала 10-20° после НМТ. Давление выхлопных газов высокого давления падает с 1,2 - 1,0 МПа при начале такта выпускавыхлопных газов высокого давления до 0,2 - 0,1 МПа в конце такта.

До завершения такта выпуска газов высокого давления начинается такт выпуска выхлопных газов низкого давления открытием выпускного клапана низкого давления при угле 0-10° до НМТ, а газы низкого давления направляются на вакуумный насос или в тракт выпуска газов низкого давления. Закрытие клапана низкого давления происходит при угле поворота коленчатого вала 1-2° после ВМТ. Давление выхлопных газов низкого давления падает с 0,2 - ОД МПа при начале такта выпускавыхлопных газов низкого давления до ОД - 0,05 МПа в конце такта. Низкое давление выхлопных газов в конце пятого такта обеспечивает низкое газодинамическое сопротивление поршню при его движении от НМТ к ВМТ, а также обеспечивает наиболее полное очищение цилиндров от выхлопных газов в конце такта выпуска выхлопных газов низкого давления. Фактически устанавливают углы открытия и закрытия клапанов опытным путём, испытывая двигатель на разных режимах работы.

Таким образом, пятый такт обеспечивает снижение давления в выпускном тракте до уровня атмосферного или ниже, а в конце такта выпуска происходит наиболее полное очищение цилиндра от выхлопных газов. Это позволяет обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в свою очередь позволяет поднять мощность двигателя за счёт меньшего газодинамического сопротивления выходу отработанных газов при движении поршня от НМТ к ВМТ.

6. Наиболее близким к способу работы двигателя внутреннего сгорания пятитактному раздельного выпуска газов является четырёхтактный способ работы двигателя внутреннего сгорания (Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М. Г. Шатров, К. А. Морозов, И. В. Алексееви др.] ; под ред. М. Г. Шатрова. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5- 4468-0186-2 ) (стр. 23 - 25).

Согласно известному способу - Первый такт работы двигателя— впуск— - реализуется при повороте кривошипа коленчатого вала (ПКВ) от 0 до 180°,. Применительно к рабочему циклу поршневого двигателя понятия «такт» и «процесс» не совпадают, поскольку для лучшей организации процессов газообмена впускные и выпускные клапаны открываются до начала соответствующих тактов и закрываются после их завершения.

Перед началом впуска в объеме камеры сгорания Vc находятся продукты сгорания, оставшиеся от предыдущего цикла, которые называются остаточными газами. Заполнение цилиндра свежим зарядом происходит из- за разрежения, создаваемого поршнем, движущимся в сторону нижней мертвой точки (НМТ).

Давление в конце такта впуска для безнаддувного двигателя внутреннего сгорания = 0,08 ... 0,09 МПа.

На температуру Та влияют теплообмен свежего заряда с элементами двигателя, формирующими впускную систему и камеру сгорания, и его охлаждение вследствие испарения топлива. Для повышения полноты испарения иногда используется специальный подогрев ТВС во впускном трубопроводе либо горячей жидкостьюиз системы охлаждения, либо отработавшими газами. Температура свежего заряда в цилиндре увеличивается также вследствие перемешивания его с горячими остаточными газами. На режиме номинальной мощности в двигателе с искровым зажиганием превалирует подогрев свежего заряда, и Та = 320 ... 380 К.

Чем больше уровень газодинамических потерь, выше подогрев свежего заряда, больше количество продуктов сгорания, оставшихся в цилиндре двигателя от предыдущего цикла, тем меньше свежего заряда поместится в нем к концу процесса впуска.

Второй такт работы двигателя— сжатие— осуществляется при повороте кривошипа на угол ф от 180 до 360°.

Третий такт работы двигателя— расширение (ф от 360 до540° ПКВ)— включает в себя сгорание основной доли поданногов цилиндр топлива, расширение рабочего тела и выполнение полезной работы.

В рабочем цикле работы получают несколько меньше из-за раннего открытия выпускного клапана до прихода поршня в НМТ.

Четвертый такт работы двигателя— выпуск (ф от 540 до720° ПКВ) — осуществляется при давлении рг = 0,105 ... 0,12 МПа, зависящем от уровня газодинамических потерь в выпускной системе.

Известный способ имеет существенный недостаток из-за неполного освобождения цилиндров от отработанных газов при завершении такта «выпуск», из-за чего мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Неполное освобождение цилиндров от отработанных газов вызвано газодинамическим сопротивлением в выпускном тракте двигателя. Это сопротивление увеличивается с ростом числа цилиндров, особенно в V-образных двигателях с одной выхлопной трубой и/или общим турбокомпрессором при объединении выпускных каналов цилиндров посредством коллектора.

Так как такт выпуска составляет более 90 градусов, то в момент завершения такта выпуска в каком-либо цилиндре из другого цилиндра на начальной стадии такта выпуска в коллектор выбрасываются газы высокого давления - таким образом в коллекторе постоянно сохраняется избыточное давление. По этой причине падает мощность двигателя, а для освобождения цилиндров от отработанных газов прибегают к закрытию выпускного клапана после прохождения ВМТ при открытом впускном клапане, что в свою очередь также ведёт к попаданию отработанных газов во впускной коллектор, ухудшению качества рабочего тела.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации выделяемой и используемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях внутреннего сгорания путём разделения такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска выхлопных газов низкого давления с выпуском газов соответственно через турбодвигатель в тракт выпуска газов высокого давления и через вакуумный насос в тракт выпуска газов низкого давления, а турбокомпрессор заменен на турбовариатор, состоящий из сблокированных между собой корпусов турбодвигателя, вакуумного насоса и компрессора, выполненных на одной оси колеса турбодвигателя, колеса вакуумного насоса и колеса компрессора

Технический результат достигается следующим.

В способ работы двигателя внутреннего сгорания пятитактный раздельного выпуска газов, включающий первый такт работы двигателя (впуск), второй такт работы двигателя (сжатие), третий такт работы двигателя (расширение), четвертый такт работы двигателя (выпуск), включают разделение четвёртого такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления с последующим переходом от такта выпуска газов высокого давления к такту выпуска газов низкого давления. Таким образом создают пятый такт выпуска газов низкого давления, чем обеспечивают разделение такта выпуска выхлопных газов на первоначальный такт выпуска газов высокого давления и непосредственно следующий за ним такт выпуска газов низкого давления. В газодинамическую схему работы двигателя включают турбовариатор, состоящий состоящий из сблокированных между собой корпусов турбодвигателя, вакуумного насоса, компрессора и выполненных на одной оси колёс: колесо турбодвигателя, колесо вакуумного насоса и колесо компрессора. Газы высокого давления выпускают через турбодвигатель. Газы низкого давления выпускают через вакуумный насос. Рабочее тело в цилиндры нагнетают компрессором.

Такт выпуска газов высокого давления обеспечивает подачу газов в турбодвигатель при давлении 1,0 - 0,2 МПа, что в свою очередь позволяет использовать наиболее энергонасыщенные выхлопные газы для работы турбовариатора.

Такт выпуска газов низкого давления через вакуумный насос позволяет:

разгрузить тракт выпуска газов высокого давления от малоэнергосодержахцих газов низкого давления, чем повысить эффективность работы турбовариатора;

- искусственно понизить давление в тракте выпуска газов низкого давления, что позволяет обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в свою очередь позволяет поднять мощность двигателя за счёт меньшего газодинамического сопротивления выходу отработанных газов при движении поршня от НМТ к ВМТ.

Компрессор обеспечивает подачу рабочего тела в цилиндры двигателя.

Турбовариатор позволяет повысить мощность двигателя. Например, для двигателя с рабочим ходом 150 мм, диаметром поршня 150 мм, падение среднего давления выпуска отработанных газов на 0,05 МПа позволит получить полезную работу:

0,150м * 3,14*(0,075м) ² * 50 000 Па = 132 Дж

где:

0, 150м - ход поршня,

3,14*(0, 075м) ² площадь поршня.

При числе цилиндров 12 и оборотах двигателя 40 об/с (2400 об/мин) прирост мощности составит :

12 цилиндров * 20 рабочих ходов в секунду * 132 Дж = 30 кВт.

Если мощность двигателя-аналога составляла 200 кВт, то прирост мощности в предлагаемом способе составит 15 %. Или на эту же величину снизится расход топлива при эксплуатации двигателя на прежней мощности.

На фиг. 1 и 2 проиллюстрирован принцип осуществления способа. На фиг. 1 изображён график осуществления известного способа, а на фиг. 2 изображён график осуществления предлагаемого способа.

Отличие предлагаемого способа от известных в следующем.

После такта расширения и поворота коленчатого вала на угол а происходит открытие выпускного клапана высокого давления с направлением газов высокого давления в турбодвигатель (фиг. 5, фиг. 9) турбовариатора, при этом коленовал поворачивается на угол bΐ (фиг. 2), выполняя четвёртый такт работы двигателя. Давление газов в цилиндре на четвёртом такте работы двигателя колеблется от 1 до 0,2 МПа и зависит от типа и индивидуальных характеристик двигателя.

До завершения четвёртого такта выпуска начинается пятый такт выпуска с открытием выпускного клапана и направлением выпускных газов в вакуумный насос (фиг. 5, фиг. 9) турбовариатора, при этом коленовал поворачивается на угол b2 (фиг. 2), выполняя пятый такт работы двигателя. Давление газов в цилиндре на пятом такте работы двигателя составляет ОД МПа или ниже и зависит от типа и индивидуальных характеристик двигателя.

Компрессор турбовариатора обеспечивает подачу рабочего тела в цилиндры под избыточным давлением.

Таким образом, пятый такт обеспечивает снижение давления в выпускном тракте до уровня атмосферного или ниже, а в конце такта выпуска происходит наиболее полное очищение цилиндра от выхлопных газов. Это позволяет обеспечить более полную очистку цилиндров от отработанных газов, что в свою очередь позволяет поднять мощность двигателя за счёт меньшего газодинамического сопротивления выходу отработщшых газов при движении поршня от НМТ к ВМТ. 7. Из известного уровня техники устройство в виде турбовариатора не выявлено.

Наиболее близким к турбовариатору является турбокомпрессор (см. например, патент РФ 2172432 МПК F04D 27/00 F02B 37/00 от 24.04.2000 г.), содержащий корпус с улиточными элементами компрессора и турбины, внутри корпуса установлен ротор на оси с консольно установленными рабочими колёсами компрессора и турбины.

Согласно известному устройству установленная в улиточном элементе корпуса турбина приводится во вращение от выхлопных газов двигателя и вращает турбину компрессора.

Известное устройство имеет существенный недостаток - устройство не применимо для пятитактного двигателя, т. к. не обеспечивается техническая возможность искусственного понижения давления в выпускном тракте коллектора низкого давления пятитактного двигателя.

Известное устройство имеет существенный недостаток также вследствие повышенного сопротивления улиточного элемента турбины за счёт создаваемого вращением газов противодавления, из-за чего происходит неполное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Технический результат изобретения заключается в создании турбовариатора для искусственного снижения давления в выпускном тракте низкого давления пятитактного двигателя.

Технический результат достигается следующим.

На основе конструкции турбокомпрессора, состоящего из сблокированных между собой корпусов турбины и компрессора с установленными в нём на одной оси колеса турбины и колеса компрессора, выполнен турбовариатор, состоящий из сблокированных между собой корпусов турбодвигателя, вакуумного насоса и компрессора. Внутри блока корпусов установлены на одной оси колесо турбодвигателя, колесо вакуумного насоса и колесо компрессора.

Турбовариатор включают в газодинамическую схему работы пятитактного двигателя. Газы высокого давления (четвёртого такта выпуска) приводят во ращение турбодвигатель. Газы низкого давления (пятого такта выпуска) выходят через вакуумный насос. Компрессор нагнетает рабочее тело в цилиндры.

Турбовариатор позволяет повысить мощность двигателя суммарно на 40 % : а) Например, для двигателя с рабочим ходом 150 мм, диаметром поршня 150 мм, углом опережения открытия выпускного клапана 60 градусов увеличение угла поворота коленчатого вала на 15 градусов позволит получить полезную работу при среднем давлении на поршень 1 МПа :

(sin 45° - sin 60°) * 0,075м * 3 ,14*(0,075м) ² * 1 000 000 Па = 211 Дж где:

0,075м - радиус вращения кривошипа коленчатого вала,

3,14*(0,075м) ² площадь поршня,

(sin 45° - sin 60°) * 0,075м - приращение рабочего хода.

При числе цилиндров 12 и оборотах двигателя 40 об/с (2400 об/мин) прирост мощности составит :

12 цилиндров * 20 рабочих ходов в секунду * 211 Дж = 50 кВт.

Если мощность двигателя-аналога составляла 200 кВт, то прирост мощности в предлагаемом способе составит 25 %. Или на эту же величину снизится расход топлива при эксплуатации двигателя на прежней мощности. б) Например, для двигателя с рабочим ходом 150 мм, диаметром поршня 150 мм, падение среднего давления выпуска отработанных газов на 0,05 МПа позволит получить полезную работу :

0,150м * 3,14*(0,075м) ² * 50 000 Па = 132 Дж

где:

0, 150м - ход поршня,

3, 14*(0,075м) ² площадь поршня,

При числе цилиндров 12 и оборотах двигателя 40 об/с (2400 об/мин) прирост мощности составит :

12 цилиндров * 20 рабочих ходов в секунду * 132 Дж = 30 кВт.

Если мощность двигателя-аналога составляла 200 кВт, то прирост мощности в предлагаемом способе составит 15 %. Или на эту же величину снизится расход топлива при эксплуатации двигателя на прежней мощности.

На фиг. 5 и 9 проиллюстрирована схема устройства

Улиточный элемент 3 корпуса компрессора и колесо компрессора 6 не изменены по устройству.

Отличие предлагаемого устройства от известных в следующем.

Турбина заменена на турбодвигатель тем, что улиточный элемент корпуса турбины заменен на корпус 1 турбодвигателя, а колесо турбины на колесо 4 турбодвигателя. Вход и выход выхлопных газов происходит в плоскости вращения турбодвигателя. Это позволяет прежде всего разместить по двум сторонам от турбодвигателя компрессор и вакуумный насос, поскольку вход и выход газов в турбодвигатель и из турбодвигателя происходят в плоскости вращения колеса турбодвигателя, а с двух сторон от корпуса турбодвигателя появляется возможность установки двух корпусов, для компрессора и вакуумного насоса.

Турбовариатор выполнен по следующей компоновочной схеме и состоит из элементов : Колесо 4 турбодвигателя, колесо 5 вакуумного насоса, колесо 6 компрессора установлены на одной оси 7 в сблокированных между собой корпусе 1 турбодвигателя, корпусе 2 вакуумного насоса и корпусе 3 компрессора. На фиг. 5 - 12 отображены направления движения газов при раооте турбовариатора по двум вариантам схемы турбодвигателя.

Конструктивная схема турбодвигателя не имеет принципиального значения для турбовариатора, но должна обеспечить вход и выход отработавших газов высокого давления в плоскости вращения колеса турбодвигателя.

Устройство работает следующим образом (фиг. 5 - фиг. 12).

Выхлопные газы высокого давления, образующиеся на четвёртом такте выпуска, поступают при давлении 1,0 - 0,2 МПа в корпус турбодвигателя 1 и приводят во вращение колесо 4 турбодвигателя. На фиг. 6 и 10-12 показаны варианты турбодвигателя в разрезе.

Вращение колеса 4 турбодвигателя вызывает вращение установленных с ним на одной оси 7 колеса 5 и колеса 6 компрессора

Вакуумный насос и компрессор выполнены по известному уровню техники в виде пар колесо/улигка.

Расположение мест впуска и выпуска газов высокого давления в плоскости вращения колеса турбодвигателя (фиг. 6 и фиг. 10-12) позволяет присоединить с двух сторон к корпусу 4 турбодвигателя корпус 5 вакуумного насоса и корпус 6 компрессора.

При вращении колеса 5 вакуумного насоса в тракте выпуска газов низкого давления на участке между выпускными клапанами цилиндров и вакуумным насосом создаётся разрежение, что способствует лучшей очистке цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", повышению мощности двигателя внутреннего сгорания, снижению расхода топлива.

8. В известном уровне техники широко распространены турбины, где вход отработанных газов происходит в плоскости вращения колеса в улиткообразный корпус турбины, а выход газов происходит перпендикулярно оси вращения турбины из средней части корпуса (http :/www. turbolader. шЛ .

Общим недостатком известных устройств является недоиспользование выделяемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях, а также в отсутствии одновременного использования :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Наиболее близким к устройством (патент РФ s 2172432) из известного ровня техники к заявляемому турбодвигателю является турбина, состоящая и корпуса турбины типа улитки, обеспечивающего вход газов по касательной к окружности колеса и выход газов из центральной части корпуса продольно оси вращения колеса, выполненного на оси колеса турбины с расположенными в в радиальном направлении лопатками.

Известное устройство имеет существенный недостаток - устройство не применимо для пятитактного двигателя, т. к. не обеспечивается техническая возможность искусственного понижения давления в выпускном тракте двигателя низкого давления пятитактного двигателя.

Известное устройство имеет существенный недостаток также вследствие повышенного сопротивления улиточного элемента турбины за счёт создаваемого вращением газов противодавления, из-за чего происходи!' неполное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Технический результат изобретения заключается в наиболее полном использовании выделяемой энергии :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Также техническим результатом изобретения является снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов, что в случае использования предлагаемого турбодвигателя в системах газораспределения четырёхтактных двигателей позволяет осуществлять более полное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - повышение мощности двигателя и снижение расхода топлива.

Технический результат достигается следующим (фиг. 5 и 6).

На основе конструкции турбины выполнен турбодвигатель, состоящий из корпуса 1 с не менее чем одной парой последовательно расположенных по касательной к окружности колеса 4 соплового входа 8 и диффузорного выхода 9 газов, соединённых между собой поворотными полостями 10 для разворота газов и с установленным в корпусе 1 турбодвигателя колесом 4 цилиндро-лопаточного типа, выполненного в виде монолитного колеса с углублениями 11 в тангенциальном направлении от круглого до прямоугольного сечения с криволинейным днищем, при этом расстояния [а] между сопловым входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя превышают размер сегмента [Ъ[ окружности колеса в месте его углубления.

Совокупное взаиморасположение соплового входа газов, диффузорного выхода газов, конфигурация углубления колеса и взаимное соотношение расстояний между сопловым входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя создаёт эффект псевдопоршня, обеспечивая возможность создания варианта турбодвигателя в виде турбопоршневого двигателя. Совокупность взаимного расположения соплового входа газов, диффузорного выхода газов, конфигурация углубления колеса и взаимное соотношение расстояний между сопловым входом и диффузорным выходом в корпусе турбодвигателя обеспечивает наиболее полное использование выделяемой энергии :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Углубления монолитного колеса в качестве варианта выполняют изогнуто- каплевидного сечения с направлением острия капли обратно вращению колеса. Это обеспечивает наилучшие газодинамические характеристики при работе устройства в целом.

Устройство работает следующим образом (фиг. 5 и 6).

В корпус 1 турбодвигателя поступают выхлопные газы высокого давления (фиг. 6) через сопловой вход 8, напротив которого по касательной к окружности колеса расположен диффузорный выход 9. Газы создают давление на колесо 4 по касательной линии, т. к. между сопловым входом 8 и диффузорным выходом 9 имеется градиент давления. Первоначально газ наполняет углубление 11 монолитного колеса, создавая на него давление вдоль касательной линии окружности колеса 4, чем создаётся крутящий момент на ось колеса и таким образом реализуется наиболее полное использование энергии, выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости или газа. А с началом вращения колеса 4 по мере удаления углубления 11 от соплового входа 8, происходит совершение работы газом, описываемое в физике как произведение силы на расстояние. Таким образом создаётся эффект псевдопоршня Последовательное расположение углублений 11 позволяет создавать постоянное давление вдоль касательной линии колеса 4 при его вращении и добиться технического результата в виде создания турбопоршневого двигателя.

С началом вращения колеса 4 прорвавшиеся сквозь неплотности в сопряжениях на первом участке газы и первично отработанные газы поступают в диффузорный выход 9, разворачиваются снова воль касательной линии колеса 4 и поступают на последующие псевдопрошни. После прохождения всех участков псевдопоршней газы высокого давления выпускаются из корпуса турбодвигателя 1.

При работе в номинальном режиме также используется кинетическая энергия рабочего тела

При положении углубления 11, соответствующему началу открытия полости в сторону диффузорного выхода 9, создаётся реактивный эффект от выхода рабочего тела из углубления.

Таким образом, обеспечивается наиболее полное использование выделяемой энергии : - выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Также обеспечивается применение в газораспределительной схеме пятитактного двигателя, снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов.

9. В известном уровне техники широко распространены турбины, где вход отработанных газов происходит в плоскости вращения колеса в улиткообразный корпус турбины, а выход газов происходит перпендикулярно оси вращения турбины из средней части корпуса (bttp./www.turbolader.ruA.

Общим недостатком известных устройств является недоиспользование выделяемой энергии при процессах расширения-сжатия газов в двигателях, а также в отсутствии одновременного использования :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Наиболее близким к устройством (патент РФ Х° 2519541) из известного ровня техники к заявляемому турбодвигателю является турбина, состоящая и корпуса турбины типа улитки, обеспечивающего вход газов по касательной к окружности колеса и выход газов из центральной части корпуса продольно оси вращения колеса, выполненного на оси колеса турбины с расположенными в в радиальном направлении лопатками.

Известное устройство имеет существенный недостаток - устройство не применимо для пятитактного двигателя, т. к. не обеспечивается техническая возможность искусственного понижения давления в выпускном тракте двигателя низкого давления пятитактного двигателя.

Известное устройство имеет существенный недостаток также вследствие повышенного сопротивления улиточного элемента турбины за счёт создаваемого вращением газов противодавления, из-за чего происходит неполное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск", как следствие - мощность двигателя падает, а расход топлива необоснованно увеличивается.

Технический результат изобретения заключается в наиболее полном использовании выделяемой энергии :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела; - реактивной энергии рабочего тела.

Также техническим результатом изобретения является снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов, что в случае использования предлагаемого турбодвигателя в системах газораспределения четырёхтактных двигателей позволяет осуществлять более полное освобождение цилиндров от отработанных газов при завершении такта "выпуск”, как следствие - повышение мощности двигателя и снижение расхода топлива.

Технический результат достигается следующим (фиг. 9 - 12).

На основе конструкции турбины выполнен турбодвигатель, состоящий из корпуса 1 с установленным в нём колесом 4 реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной выполненной параллельно плоскости колеса 4 полостью 12, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр 13 шириной [с] с рабочим объёмом 14, образованным лопатками 15 колеса 4, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из цилиндра.

На фиг. 13 отображён вариант конического исполнения цилиндра.

Коническое исполнение цилиндра позволяет отгибать пластины лопаток на наибольшие углы назад вращению колеса.

Совокупное взаиморасположение корпуса с установленным в нём колесом реактивно-лопаточного типа, с не менее чем однойи выполненной параллельно плоскости колеса полостью, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр с рабочим объёмом, образованным лопатками колеса, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из цилиндра, создаёт эффект реактивного сопла между лопатками в месте выхода газов из цилиндра, обеспечивая возможность создания варианта турбодвигателя в виде турбореактивного двигателя.

Совокупное взаиморасположение корпуса с установленным в нём колесом реактивно-лопаточного типа, с не менее чем одной и выполненной параллельно плоскости колеса полостью, сообщающейся через не менее чем один переходной цилиндр с рабочим объёмом, образованным лопатками колеса, расположенными на окружности колеса и выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из цилиндра, создаёт эффект реактивного сопла между лопатками в месте выхода газов из цилиндра обеспечивает наиболее полное использование выделяемой энергии :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа; - кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Устройство работает следующим образом (фиг. 9 - 13).

В корпус 1 турбодвигателя поступают выхлопные газы высокого давления (фиг. 10) через сопловой вход 16. Газы создают давление на колесо 4 по касательной линии, т. к. между сопловым входом 16 и переходными цилиндрами 13 имеется градиент давления. Первоначально газ передаёт кинетическую энергию на лопатки 15 колеса 4, создавая на него давление вдоль касательной линии окружности колеса 4, чем создаётся крутящий момент на ось 7 колеса и таким образом реализуется использование кинетической энергии газов высокого давления.

Существующий постоянный градиент давления между сопловым входом 16, рабочим объёмом 14 и далее полостью 12 вызывает движение газов между лопатками 15, выполненными в виде отогнутых назад вращению колеса пластин таким образом, что площадь сечения между лопатками в перпендикулярной им плоскости не увеличивается в направлении выхода газов из цилиндра 13. Движение газов между лопатками 15 вызывает их расширение вследствие падения их давления, а при не увеличивающейся площади или уменьшающейся площади сечения каналов между лопатками 15 в направлении движения газов приводит к росту их скорости, вызывая эффект реактивного сопла в месте выхода газов с лопаток 15 колеса 4 в полость 12.

При варианте конического исполнения цилиндра (фиг. 13) пластины лопаток 15 отогнуты на наибольшие углы назад вращению колеса и наибольшим образом уменьшают площадь сечения каналов между лопатками 15 в направлении движения газов, что позволяет усилить эффект реактивного сопла.

Таким образом, обеспечивается наиболее полное использование выделяемой энергии :

- выделяемой при расширении и вытеснении энергии рабочим телом в виде жидкости и/или газа;

- кинетической энергии рабочего тела;

- реактивной энергии рабочего тела.

Также обеспечивается применение в газораспределительной схеме пятитактного двигателя, снижение сопротивления турбодвигателя выходу отработанных выхлопных газов. Источники информации, принятые во внимание

1. Автомобильные двигатели : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / [М. Г. Шатров, К. А. Морозов, И. В. Алексееви др.] ; под ред. М. Г. Шатрова.— 3-е изд., испр. и доп.— М. : Издательский центр «Академия», 2013.— 464 с.— (Сер. Бакалавриат). ISBN 978-5-4468-0186-2 ) (с р. 23 - 25).

2. Руководстве по эксплуатации Ка 850.3902150 двигателей ЯМЗ-850.10, ЯМЗ- 8501.10 ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ" (Ярославский моторный завод).

3. Руководстве по эксплуатации двигателей внутреннего сгорания ЯМЗ-

850.10, ЯМЗ-850.10-01 Ярославского моторного завода ОАО "АВТОДИЗЕЛЬ"

(Руководство по эксплуатации 850.3902150 РЭ).

4. Учебное пособие Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Кафедры ТГТД МГТУ «МАМИ» Б. Н. Давыдков В. Н. Каминский «Системы и агрегаты наддува транспортных двигателей» Учебное пособие для студентов специальностей 140501.65 «Двигатели внутреннего сгорания», 140503.65 «Газотурбинные, паротурбинные установки и двигатели», патенте РФ 2016221 «Гидравлическая реактивная турбина».

5. Учебные материалы : / Тер-Мкртичьян, Г.Г. «Двигатели внутреннего сгорания с нетрадиционными рабочими циклами» учеб, пособие / Г.Г. Тер- Мкртичьян. - М.: MAflHJSBN 978-5-7962-0202-9, УДК 621.43, ББК 31.365 /.

http:/www.turbolader.ru/

htn:/www.turbolader.ru/

https://infopedia.su/5x51 ee.html

Ил. 4.

Независимых п. ф. 12