Керамічний двигун внутрішнього згоряння з еліпсною або овальною формою перетину циліндра і поршня

39253 Винахід відноситься до двигунобудування, зокрема - до двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), і призначений для підвищення потужності, коефіцієнту корисної дії (к.к.д.), економічності, екологічності, зниження маси, метало- і матеріалоємності, токсичності відпрацьованих газів, вібрації і шумів ДВЗ. Винахід може бути використаний у вигляді енергетичного приводу як в рухомих, так і стаціонарних конструкціях. Це можуть бути як стаціонарні генератори струму або механічної енергії, так і двигуни легкових, вантажних, спортивних автомобілів, автобусів, мотоциклів, тракторів, літаків, гелікоптерів, військової техніки і ін. Відомі дослідження про можливість застосування керамічних і металокерамічних матеріалів [1-3] для деталей вузлів ДВЗ, що найбільш широко проводяться в Японії, США, Германії, Франції і інших розвинених країнах, але поки, виключаючи японські компанії KYOCERA і TOYOTA, вони мають суто дослідне використання. Навіть японська компанія не налагодила серійне виробництво керамічних ДВЗ, хоча вона вперше в світі спільно з компанією KYOCERA розробила керамічний ДВЗ, що використовується в основному для демонстраційних подорожей легкових автомобілів. Відомі також спроби застосування керамічних і металокерамічних матеріалів для поршнів, гільз циліндрів, компресійних кілець, роторів і корпусів турбін наддуву, клапанів, кришок, камер згоряння, впускних і вихлопних каналів для ДВЗ. Наприклад, патенти Японії: № 57-185882, М. кл. F02B33/00, 1982; № 59-200012 М. кл. F02B3/00, 1984; № 60-211918 М. кл. F02B75/02, 1985; журнали "Автомо-бильная промышленность США" за 1986-1990 роки; патенти США: № 4523554 М. кл. F02B77/02, 1985; № 4691673 М. кл. F02B3/00, 1987; патенти ФРН: № 35299й5А1 М. кл. F02B19/00, 1986; № 3715970А1 М. кл. F02B33/30, 1988; заявка України № 94076233 МПК 5Р02В75/18, F02B75/26, F02B75/32, F02B37/00, 1994, та ін. Всі ці технічні рішення, виключаючи японські розробки, дадуть лише часткове використання керамічних і металокерамічних матеріалів для окремих деталей ДВЗ, наприклад, виготовлення керамічних сідел клапанів, роторів турбін наддуву, нанесення покрить з керамічних або металокерамічних матеріалів на головку поршня і гільз циліндрів, застосування металокерамічних компресійних кілець, виготовлення і з'єднання металевих і керамічних частин поршнів, зміцнення металевих поршнів і кілець волокнуватими матеріалами, виготовлення вихлопних і резонансних труб з металокерамічних і керамічних матеріалів та ін. В усіх конструкціях ДВЗ, аналогів використовується кривошипно-шатунний механізм обертання головного вала двигуна і, як правило, вертикальне; розташування циліндрів і поршнів. Використання кривошипно-шатунного механізму в цих конструкціях ДВЗ не дозволяє максимально використати керамічні і металокерамічні матеріали для деталей гарячої зони, оскільки із-за невеликої ударної глейкості і великій крихкості ці матеріали, незважаючи на їхні унікальні фізико-технічні властивості, не можуть витримувати ударні навантаження, що виникають при застосуванні кривошипно-шатунних механізмів. За прототип приймається технічне рішення японських компаній KYOCERA і TOYOTA (див.: Автомобильная промышленность США. – 1988. - № 1. - С. 31-36), що створили перший в світі керамічний двигун внутрішнього згоряння. Це горизонтальний, опозитний, чотирициліндровий двигун, у якому циліндри, поршні, плоска головка блоку, поршневі кільця і ротор турбокомпресора виготовлені з керамічних матеріалів на основі карбіду кремнію. Істотними перевагами винаходу і прототипу є горизонтальне розташування осей гільз циліндрів, виготовлення деталей гарячої зони з жароміцної і термостійкої кераміки або металокераміки, наявність приводу головного вала двигуна, системи турбонадува, вприскування палива або подачі газового палива, системи електронного запалювання. Винахід відрізняється від прототипу конструкцією ДВЗ, а саме - відсутністю кривошипно-шатунного механізму обертання головного вала, формою перетину (еліпсоподібною або овальною) гільзи циліндра і поршня, що рухається по цьому циліндру, а також формою головки поршня, що покращує, завдяки своїй конфігурації, умови роботи ДВЗ. Згідно з прототипом, керамічний ДВЗ має кривошипно-шатунний механізм перетворення зворотнопоступального руху поршня в обертальний рух головного вала двигуна, а також кріплення шатуна до керамічного поршня з допомогою пальця. При такій конструкції і кріпленні виникають сильні ударні навантаження на поршень і палець, що в процесі праці постійно ударяє керамічний поршень, що неприпустимо для керамічних деталей внаслідок їхньої великої крихкості і схильності до утворення мікротріщин. Крім того, під час роботи пари поршень-циліндр при температурах вище на 100-150°С, ніж у сучасних металевих ДВЗ, внаслідок малого об'єму камери згоряння відбувається швидке згоряння палива, що робить цей двигун неекономічним. При цьому звичайні мастила швидко згоряють, збільшуючи коефіцієнт тертя пари поршень-циліндр, що може призвести до заклинювання поршня. Металеві деталі і вузли дуже перегріваються, що приводить до необхідності введення водяного охолодження і, природно, все це призводить до зменшення потужності, економічності, к.к.д., екологічності і підвищенню металоємності двигуна. В основу винаходу поставлене завдання створення такої конструкції керамічного двигуна внутрішнього згоряння, у якому б замість кривошипно-шатунного механізму застосовувався б механізм, що дозволить зменшити ударні навантаження на керамічні деталі пари поршень-циліндр, рух поршнів до протилежних сторони від механізму перетворення зворотно-поступального руху поршня в обертальний рух головного вала двигуна, поліпшення провітрюваності циліндра двигуна з одночасним підтриманням у ньому високого температурного режиму, зменшення коефіцієнту тертя пари поршень-циліндр. За рахунок цього забезпечувалося б підвищення потужності, к.к.д., економічності, екологічності і зниження металоємності запропонованого ДВЗ. Поставлене завдання вирішується тим, що в керамічному двигуні внутрішнього згоряння з горизонтальним розташуванням осей циліндрів, який включає циліндр і поршень еліпсоподібної або 39253 овальної форми перетину, кільця, виготовлені з прошитої термостійкої і жароміцної металокераміки і кераміки, використання приводу головного вала, а також системи турбонадува, вприску і подачі газового палива, електронного запалювання. Згідно винаходу, двигун виконаний двотактним з співвісним або зміщеним розташуванням осей циліндрів, з протилежним рухом поршнів, що знаходяться з протилежних сторін механізму перетворення зворотно-поступального руху поршнів у обертальний рух головного вала, і ці поршні шарнірно прикріплені до опорних шайб цього механізму, і, мають камери згоряння; головки поршнів і циліндри, які мають еліпсоподібну або овальну форму перетину, що дозволяє кращим чином провітрювати робочу зону і об'єм циліндра від відпрацьованих газів, готувати робочу суміш до спалювання; стінки циліндрів, що містять високотемпературні мастила і об'єднані у два пінокерамічні блоки з індивідуальною продувкою і відводом відпрацьованих газів з кожного циліндра, і загальної продувкою пінокерамічних блоків; обладнаний системою турбонадува, що складається з газових турбін; прилади генерування струму. Заміна кривошипно-шатунного механізму в запропонованому винаході на механізм, що має дві опорні шайби з похилим елементом, які сприймають поштовхи від поршнів через шарніри, прикріплені до шайб, що дозволяє спільно з двотактним режимом роботи двигуна, значно зменшити ударні навантаження на керамічні або металокерамічні деталі поршень-циліндр, так як при використанні опорних шайб і двотактного процесу роботи двигуна, створюється постійне зусилля тільки у одному напрямку, здійснюється більш плавний зворотно-поступальний рух поршня без зворотних ударних зусиль, що має місце у роботі кривошипно-шатунного механізму і місцях кріплення поршня і шатуна, у прототипі. Запропонована конструкція дозволить більш надійно і ефективно використовувати керамічні і металокерамічні матеріали для виготовлення поршня, кілець, циліндра і ін. деталей, а це, в своєю чергу, призведе до підвищення к.к.д., потужності, економічності, екологічності і зниження металоємності запропонованого ДВЗ. Керамічний циліндр має в своєму перетині еліпсоподібну або овальну форму. В верхній частині знаходиться об'єм камери згоряння , яка формується верхньою частиною циліндра і поверхнею головки поршня, коли він(поршень) знаходиться у верхній мертвій точці(ВМТ). Поршень також має еліпсоподібну або овальну форму перетину. У верхній частині циліндра знаходиться система вприску пального. Головка поршня має випуклу частину, ідо має криволінійну форму поверхні, яка також, як і еліпсоподібна або овальна форма перетину циліндра дають можливість повітряному потоку провітрювати циліндр після робочого ходу більш повно та за більш короткий проміжок часу. Впускні і випускні вікна мають овальну форму і рівномірно розміщені по периметру гільзи циліндра. Нижня лінія вікон співпадає з найближчою кромкою головки поршня, коли той знаходиться у нижній мертвій точці(НМТ). Конфузорна частина вікон, яка знаходиться у стінках циліндра. розміщена під кутом 30-60° до осі керамічної гільзи циліндра. Все це сприяє інтенсивному перемішуванню паливно-повітряної суміші, більш повному її спалюванню, що також призводить до підвищення потужності, економічності та екологічності ДВЗ. Робочі поверхні керамічних або металокерамічних гільз циліндрів мають відкриту пористість (до10%), пори просичені високотемпературними мастилами на основі графіту чи десульфіду молібдену, які самозмащують робочі поверхні кілець і поршня, завдяки чому зменшується їх механічне зношування і перегрівання, що також сприяє підвищенню терміна служби і надійності роботи керамічного ДВЗ. Керамічні циліндри об'єднані у блоки, виготовлені з пінокераміки, які мають порожнини овальної форми вздовж усієї довжини циліндрів. Цим забезпечується індивідуальне продування і відведення відпрацьованих газів від кожного циліндра, а також загальне провітрювання і відвід тепла від корпуса піноблока, який закривається двома мета-лопінокерамічними кришками. Овальна форма отворів підвищує ефективність і інтенсивність процесу продувки і відведення відпрацьованих газів з корпуса піноблока, що дозволяє підтримувати більш високу температуру в камері згоряння кожного циліндра ДВЗ і одночасний захист металевих вузлів і деталей двигуна від перегрівання, що також призводить до підвищення к.к.д., економічності, екологічності та зменшенню металоємності двигуна. Система газотурбінного наддува складається з компресора та двох газових турбін, ротори яких виготовлені з міцної, вібростійкої кераміки. При цьому одна турбіна використовується як нагнітач, а інша - за для створення спрямованого тиску. Турбіни встановлені на загальній магістралі відведення відпрацьованих газів і мають спільний привід від головного вала двигуна. Така будова системи наддува дозволяє здійснювати більш ефективну продувку гільз циліндрів з одночасним використанням енергії відпрацьованих гарячих газів двигуна, що також призводить до підвищення його економічності та екологічності. На вільних кінцях головного вала двигуна є пристрій, завдяки якому генерується електричний струм. Пристрій складається з нерухомої ізоляційної втулки-циліндра з обмоткою соленоїда, всередині якого обертаються сталі магніти, закріплені на головному валі двигуна. При цьому в обмотках соленоїда генерується струм, який використовується за призначенням, підвищуючи економічність двигуна. Використання опорної шайби у запропонованому винаході дозволить надійно і більш ефективно використовувати комплекс унікальних властивостей металокерамічних і керамічних матеріалів при виготовленні поршня, кілець, циліндра; збільшити кількість циліндрів при зменшенні загального займаємого об'єму допоміжними механізмами. Металокерамічні і керамічні гільзи циліндрів мають відкриту пористість, використовують високотемпературні змащувальні матеріали на основі графіту і дисульфіду молібдену, устатковані керамічними гільзами циліндрів, пінокерамічним блоком, індивідуальною продувкою і відводом відпрацьованих газів з кожного циліндра і загальною продувкою піноблока, використовують обидві газові турбіни наддува, розташовані на випускній магістралі, пристрій генерування струму, які в кінцевому рахунку приводять до підвищення к.к.д., потужності, економічності, екологічності і зниження металоємності керамічного ДВЗ. 39253 Теоретичні розрахунки та лабораторне моделювання підтверджують концепцію створення потужного керамічного ДВЗ по запропонованому винаходу. На фіг. 1 показана принципова схема передбачуваного керамічного ДВЗ, на фіг. 2 - його аксонометричне зображення у розрізі. Двигун складається з металевого кожуха 1, пінокерамічних корпусів (блоків) 2, які закриваються двома металопі-нокерамічними кришками 3, усередині яких розташовані шість (може бути будь яка кількість) керамічних гільз в кожній з яких є керамічний поршень 5. В кінцевій частині циліндра (відносно опорної шайби 8) знаходиться камера згоряння 6, яка формується кришкою циліндра 20 і головкою поршня 21, які мають складні поверхні, тоді коли поршень знаходиться у ВМТ (верхній мертвій точці). При необхідності тут може знаходиться і форкамера. Усередині корпуса знаходиться головний вал 7 двигуна, на якому знаходиться опорна шайба 8 з похилими робочими поверхнями. Опорна шайба 8 складається з трьох частин: двох рухомих і нерухомої, де поміж нерухомою частиною і рухомими знаходяться сепаратори з шарами. Рухома частина опорної шайби за допомогою шарнірного башмака 9 і штока 10 прикріплюються до поршня 5. Нерухома половина опорної шайби 8 жорстко закріплюється на валу 7 за допомогою радіально-упорного підшипника, який сприймає осьові навантаження, виникаючі в процесі роботи двигуна. На гільзах циліндрів є впускні 11 і випускні 12 вікна, які з'єднані з загальною впускною 13 і випускною 14 магістралями. Через металопінокерамічні кришки 3, через піноблоки 2 у кришку циліндру 20, вмонтовані і підведені до камер згоряння 6 форсунки 15. На вихідному кінці головного вала двигуна 7 є привод для системи турбонаддува який через гідромуфту 19 підключений до вала, на якому закріплені компресорні турбіни 16 і газові турбіни вихлопу 17. Тут же знаходиться пристрій 18 для генерування струму. Керамічний двигун працює так: спочатку відбувається робочий цикл в одному циліндрі, потім у другому і нарешті у третьому. З протилежної сторони нерухомої частини опорної шайби у циліндрі відбувається процес стискання повітря (гільзи циліндрів на одній стороні розміщені під кутом 120° по окружності, а по відношенню до циліндрів, які знаходяться з протилежної сторони опорної шайби, вони зміщені на кут 60°). Поршень 5 на початку циклу знаходиться в точці, найбільш віддаленій від кришки циліндра 20, і через впускні вікна 11 відбувається продувка наскрізь гільзи циліндра 4 стиснутим повітрям, який надходить з компресора 16. В цей же час головний вал двигуна 7 під дією зовнішніх прикладених сил переміщує опорну шайбу 8, яка через шарнірний шток здійснює рух поршня 5 до кришки циліндра 20, при цьому перекриваючи впускні 11 і вихлопні 12 вікна, стискуючи повітря у камері згоряння 6 циліндра 4 до необхідного ступеня стискання. В цей час у камеру згоряння 6 через форсунку 15 вприскується паливо, відбувається спалах, горіння та розширення газів, які рухають поршень у протилежну сторону. Внаслідок цієї дії, яка відбувається у певній послідовності з обох сторін опорної шайби, рухома частина опорної шайби 8 здійснює коливально-круговий рух і через сепаратор створює тиск на нерухому частину, яка під дією осьових зусиль намагається повернути ся, але так як вона жорстко прикріплена до головного вала 7 двигуна, то вал з шайбою починають разом обертатися. При переміщенні поршня у сторону шайби відкриваються впускні і випускні вікна і повітря, яке нагнітається компресором 16, продуває по складній траєкторії весь робочий обсяг циліндра. При цьому відпрацьовані гази переміщуються у загальну вихлопну магістраль 14 і використовуються на розкручування газової турбіни 17. Використання запропонованого винаходу дозволить отримати потужний (50-200 кВт і більше), економічний, екологічний, надійний і довговічний керамічний ДВЗ з к.к.д. який дорівнюватиме 45-50%. Маса пропонованого керамічного ДВЗ буде у 2-2,5 раза менша ДВЗ з металу такої ж потужності. Токсичність відпрацьованих газів, через більш повне їх згоряння, буде на 30-40% менше ніж у сучасних двигунів. Джерела інформації 1. Автомобильная промышленность США. – 1986. - № 3. - С. 40; № 4. – С. 4; № 6. - С. 35. 2. Автомобильная промышленность США. – 1988. - № 1. - С. 31-36. 3. Автомобильная промышленность США. – 1991. - № 2. - С. 29-31. 4. Журнал ВНР „Auto - Motor". – 1984. - С. 47-49. 39253 Фіг. 1 Фіг. 2