Керамічний двигун внутрішнього згорання

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано в качестве двигателя легковых автомобилей, автобусов, тракторов, грузовых автомобилей, самолетов и др. Известны попытки применения керамических и металлокерамических материалов для поршней, гильз цилиндров, компрессионных колец, роторов турбин наддува, клапанов, крышек, камер сгорания, впускных и, выхлопных каналов для ДВС [1 - 7]. Все эти те хнические решения, за исключением японских разработок, дают лишь частичное использование керамических и металлокерамических материалов для отдельных деталей ДВС. Во всех конструкциях ДВС аналогов используется кривошипно-шатунный механизм вращения главного вала двигателя и, как правило вертикальное расположение цилиндров и поршней. Использование кривошипно-шатунного механизма в эти х конструкциях ДВС не позволяет максимально использовать керамические и металлокерамические материалы для деталей горячей зоны, поскольку из-за небольшой ударной вязкости и большой хрупкости эти материалы, несмотря на их уникальные физико-технические свойства, не могут выдерживать больших ударных нагрузок, которые возникают при применении кривошипно-шатунного механизма. За прототип принято техническое решение японских компаний Toyota и Kyacera которые создали первый в мире керамический двигатель внутреннего сгорания. Это горизонтальный оппозитный четырехцилиндровый двигатель, в котором цилиндр, поршень, плоская головка блока, поршневое кольцо и ротор турбокомпрессора изготовлены из керамических материалов на основе карбида кремния [8]. Существенными признаками изобретения и прототипа является горизонтальное расположение осей цилиндров, изготовление деталей горячей зоны из жаропрочной и термостойкой керамики или металлокерамики, наличие привода главного вала двигателя, системы турбонаддува, впрыска топлива или подачи газового топлива, системы электронного зажигания. Изобретение отличается от прототипа конструкцией ДВС, а именно отсутствием кривошипно-шатунного механизма вращения главного вала, движением навстречу друг другу двух керамических поршней в керамической гильзе, расположением камеры сгорания, наличием пенокерамического блока, в котором расположены гильзы цилиндров, продувкой и отводом отработанных газов, наличием высокотемпературных смазок на гильзах цилиндров, двух газовых турбин и компрессора в системе турбонаддува и устройства для генерирования тока. Прототип имеет кривошипно-шатунный механизм превращения возвратнопоступательного движения поршня во вращательное движение главного вала двигателя, а шатун закреплен к керамическому поршню с помощью пальца. При такой конструкции и креплении возникают сильные ударные нагрузки на поршень и палец, который постоянно ударяет по керамическому поршню, что недопустимо для керамических деталей из-за их большой хрупкости и склонности к трещинообразованию. Кроме того, во время работы пары поршень-цилиндр при температурах выше на 100 - 150°C, чем у современных металлических ДВС, из-за малого объема камеры сгорания происходит быстрое сгорание топлива, что делает этот двигатель неэкономным. При этом обычные смазки быстро выгорают, увеличивая тем самым коэффициент трения пары поршень - цилиндр, что может привести к заклиниванию поршня. Металлические детали и узлы сильно перегреваются, что приводит к необходимости введения водяного охлаждения и, естественно, все это приводит к уменьшению мощности, экономичности, к.п.д., экологичности и повышению металлоемкости двигателя. В основу изобретения поставлена задача создания такой конструкции керамического двигателя внутреннего сгорания, в которой бы вместо кривошипно-шатунного механизма применялся механизм, обеспечивающий уменьшение ударных нагрузок на керамические детали поры поршень-цилиндр, встречное движение поршней в каждом цилиндре, увеличение камеры сгорания с одновременным поддержанием в ней высокого температурного режима, уменьшение коэффициента трения пары поршень цилиндр, наличие эффективной системы турбонаддува и отвода отработанных газов, устройства генерирования тока. За счет этого должно обеспечиваться повышение мощности, к.п.д., экономичности, экологичности, снижение металлоемкости ДВС. Поставленная задача решается тем, что в керамическом двигателе внутреннего сгорания с горизонтальным расположением осей цилиндров, включающем цилиндры с поршнями и кольцами, изготовленные из прочной, термостойкой и жаростойкой металлокерамики или керамики, главный вал привода и системы турбонаддува, впрыска или подачи газового топлива и електронного зажигания согласно изобретению двигатель выполнен двухтактным с соосным расположением осей цилиндров и встречным движением поршней в цилиндрах, при этом штоки поршней прикреплены шарнирно к двум опорным шайбам с наклонными рабочими поверхностями, прикрепленными по обе стороны цилиндров к главному валу двигателя шарнирно, с возможностью качания в плоскости, проходящей через ось главного вала и шарнирного крепления штока, причем в каждом цилиндре камера сгорания расположена посредине цилиндра, цилиндры объединены в пенокерамических блок с индивидуальной продувкой и отводом отработанных газов из каждого цилиндра и общей продувкой пенокерамического блока, керамический материал гильз цилиндров пропитан высокотемпературными смазками, а система турбонаддува образована компрессором и двумя газовыми турбинами, при этом двигатель дополнительно снабжен устройством для генерирования тока. Замена кривошипно-шатунного механизма в предполагаемом изобретении на две опорные шайбы с наклонными рабочими поверхностями позволит значительно уменьшить ударные нагрузки на керамические или металлокерамические детали пары поршень-цилиндр, так как при использовании двух опорных шайб и шарнирного крепления к ним штоков поршней осуществляется более плавное возвратно-поступательное движение двух поршней в каждом цилиндре, а также при этом отсутствует крепление поршня с помощью пальца, который постоянно ударяет по керамическому поршню во время работы двигателя. Предлагаемая конструкция позволяет более надежно и эффективно использовать керамические и металлокерамические материалы для изготовления поршня, колец, цилиндра и др. деталей, а это в свою очередь приведет к повышению мощности, к.п.д., экономичности, экологичности и снижению металлоемкости предполагаемого керамического ДВС. Кроме того, встречное движение поршней, которые создают посредине керамической гильзы и в своих головках камеру сгорания, способствует интенсивному перемешиванию топливновоздушной смеси, полноте ее сгорания, что также приводит к повышению мощности, экологичности и экономичности ДВС. Устройство системы наддува, в котором одна турбина используется как нагнетатель, а другая для создания направленного давления, и обе турбины установлены на общей магистрали отвода выхлопных газов и имеют общий привод от главного вала двигателя, позволяет осуществлять более эффективную продувку гильз цилиндров с одновременным использованием отработанных горячих газов двигателя, что также приводит к повышению его экономичности и экологичности. Наличие устройства для генерирования тока, состоящего из неподвижной изоляционной втулкицилиндра с обмоткой соленоида, внутри которого вращаются постоянные магниты, закрепленные на главном валу двигателя, обеспечивает генерирование в обмотках соленоида тока, который используется по назначению, что дополнительно повышает экономичность двигателя. При этом рабочие поверхности керамических или металлокерамических гильз цилиндров имеют открытую пористость (до 10%), а поры пропитаны высокотемпературными смазками на основе графита или дисульфида молибдена, которые самосмазывают рабочие поверхности колец и поршня, благодаря чему уменьшается их механический износ и перегрев, что способствует повышению срока службы и надежности работы керамического ДВС. Кроме того, вдоль длины гильз цилиндров имеют отверстия овальной формы, обеспечивая тем самым индивидуальную продувку и отвод отработанных газов из каждого цилиндра, а также общую продувк у корпуса пеноблока, который закрыт с торцов двумя пенокерамическими крышками. Овальная форма отверстий способствует более эффективному и интенсивному процессу продувки и отвода отработанных газов из корпуса пеноблока, что позволяет поддерживать более высокую температуру в камере сгорания каждого цилиндра ДВС и одновременную защиту металлических узлов и деталей двигателя от перегрева, что также приводит к повышению к.п.д., экономичности, экологичности и снижению металлоемкости двигателя. Теоретические расчеты и лабораторное моделирование подтверждают концепцию создания мощного и надежного керамического ДВС по предполагаемому изобретению. На фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого керамического ДВС, а на фиг.2 - его аксонометрическое изображение с разрезом. Двигатель состоит из металлического кожуха 1, пенокерамического корпуса (блока) 2, который закрывается двумя пенокерамическими крышками 3, внутри которого расположены четыре (может быть любое количество) керамические гильзы цилиндров 4, в которых имеются два керамические поршня 5. Посредине керамических гильз цилиндров расположена камера сгорания 6. При необходимости тут находится и форкамера (на фиг.2 она не показана). В средине корпуса находится главный бал двигателя 7, на котором крепятся дав опорные шайбы 8 с наклонными рабочими поверхностями. Опорная шайба 8 состоит из двух половин: подвижной и неподвижной, между которыми находится сепаратор. Подвижная половина опорной шайбы с помощью шарнирных башмаков 9 и штоков 10 крепится к двум поршням 5. Неподвижная половина опорной шайбы 8 закрепляется жестко на валу с помощью радиально-упорного подшипника, который воспринимает осевые нагрузки, возникающие в процессе работы двигателя. На гильзах цилиндров имеются впускные 11 и выхлопные 12 окна, которые соединены с общей впускной 13 и выхлопной 14 магистралями. Через пеноблок корпуса двигателя вмонтированы и подведены к камерам сгорания форсунки 15. На выходном конце главного вала двигателя имеется привод для системы турбонаддува, которая включает компрессор 16 и две газовые турбины 17. Тут же имеется устройство 18 для генерирования тока, состоящее из постоянных магнитов, расположенных на вращающемся главном валу двигателя и соленоидов расположенного на уплотнительном цилиндре крышки корпуса. Керамический двигатель работает так. В начале происходит рабочий цикл в одном цилиндре, затем - в другом, третьем т.д. (гильзы цилиндров расположены по окружности под углами 90°). Поршни 5 в начале цикла находятся в правых и левых крайних точках, и через впускные окна 11 осуществляется сквозная продувка гильзы цилиндра 4 сжатым воздухом, поступающем из компрессора 16. В это время главный вал двигателя 7 под воздействием внешних, приложенных усилий поворачивает опорные шайбы 8, которые через шарнирные штоки 10 осуществляют встречное движение двух поршней 5 к середине гильзы, которые закрывая впускные 11 и выхлопные окна 12, сжимают воздух в камере сгорания 6 цилиндров 4 до необходимой степени сжатия. В это время в камеру сгорания 6 через форсунку 15 впрыскивается топливо, происходит вспышка, горение и расширение газов, которые двигают поршни в противоположные стороны. В результате такого действия, проходящего поочередно в каждом цилиндре, подвижная половина опорной шайбы 8 осуществляет давление на неподвижную свою половину, которая под действием осевых усилии стремиться повернуться, но так как она жестко прикреплена к главному валу В двигателя, они начинают вращаться совместно. Отработанные газы из каждого цилиндра после завершения цикла поступают в общую вы хлопную магистраль 14 и используются для привода газовых турбин 17. Использование предполагаемого изобретения позволит получить мощный (50 - 200кВт и больше), экономичный, надежный и долговечный керамический ДВС с кпд, равным 45 - 50%. Вес предполагаемого керамического ДВС будет в 2 2,5 раза меньше металлических ДВС такой же мощности, токсичность отработанных газов из-за полноты их сгорания будет на 25 - 30% меньше, чем у современных двигателей.