Поршневий двигун-реактор

Поршневий двигун-реактор стосується галузі машинобудування і призначений, насамперед, для приводу різних механізмів та може знайти застосування в хімічній промисловості як реактор хімічного виробництва. Відомі конструкції поршневих двигунів вн утрішнього згоряння містять корпус, циліндр із клапанно-розподільним механізмом, розташований в ньому поршень з можливістю зворотнопоступального переміщування, який шарнірно зв'язаний з кривошипно-шатунним механізмом, та мають систему мащення, охолодження, керування [1]. До причин, що перешкоджають досягненню потрібного технічного результату при застосуванні відомих конструкцій двигунів відноситься те, що в них в зоні горіння присутні охолоджувані поверхні у вигляді кришок, прокладок, клапанів, які знижують температуру взаємодіючих компонентів, повноту їх перетворення, ускладнюють конструкцію. Відомі циліндри з прямоструминною схемою продувки, в яких в зоні горіння відсутні клапани [2]. Двигуни внутрішнього згоряння цього типу складаються із синхронно працюючих кривошипношатунних механізмів, кожний з яких шарнірно зв'язаний з одним із двох поршнів, установлених в одному циліндрі. В середині циліндру при русі поршнів відбувається періодичне стиснення, нагрівання та перетворення в хімічній реакції поданих речовин, продукти яких при бистрому розширенні охолоджуються і виводяться із циліндру через кінцеві вікна. Недоліком таких двигунів є дія значних знакозмінних сил на стінки циліндру з боку поршня , що не дозволяє зменшити тертя, застосувати в робочій зоні керамічні матеріали, підвищити коефіцієнт корисної дії двигуна. Найбільш близьким до запропонованого винаходу за сукупністю ознак є "Поршневий двигун Тарасевича", обраний як прототип [3]. Загальними суттєвими ознаками відомого та заявленого двигуна є корпус, в якому розташовані циліндри із клапанно-розподільним механізмом, поршні, установлені переважно в одному циліндрі по два, кожний з яких шарнірно зв'язаний шатунами з одним із двох кривошипів, що синхронно обертаються, а коромислом з'єднаний з корпусом з можливістю зворотно-поступального переміщування та зрівноваженого руху всієї системи інерційних мас. До причин, що перешкоджають досягненню потрібного технічного результату при застосуванні відомого двигуна відноситься те, що в ньому відсутня можливість оперативної зміни степені стиснення компонентів в циліндрі, що утр уднює його пуск, роботу в оптимальному режимі при зміні навантаження чи при заміні палива. В основу винаходу поставлене завдання вдосконалення поршневого двигуна, в якому шля хом модифікації конструкції з можливістю керування степіню стиснення забезпечується запалення робочої суміші з необхідним випередженням, створення в циліндрі потрібної температури, тиску компонентів, що приводить до радикального скорочення витрат палива, рівня шкідливих викидів при одночасному зростанні потужності, поліпшення пускових властивостей двигуна, обмеження надмірного тиску на деталі механізму, розширення асортименту використання марок палива, застосування в зоні горіння керамічних матеріалів для підвищення к.к.д. двигуна, проведення в циліндрі керованих хімічних процесів при забезпеченні рівномірного нагрівання вихідних компонентів до високих температур та створення високих тисків з наступним швидким охолодженням продуктів реакції при розширенні, їх виводом чи уловлюванням. Поставлене завдання вирішується тим, що в поршневому двигуні-реакторі, що містить корпус, в якому розташовані циліндри із клапанно-розподільним механізмом, поршні, установлені переважно в одному циліндрі по два, кожний з яких шарнірно зв'язаний шатунами з одним із двох кривошипів, що синхронно обертаються, а коромислом з'єднаний з корпусом з можливістю зворотно-поступального перемішування та зрівноваженого руху всієї системи інерційних мас, принаймні, один із поршнів, шарнірно установлений, щонайменше, на одній рухомій рамі з можливістю переміщування її в опорах та керування процесом підведення компонентів, їх взаємодією, виводом або уловлюванням продуктів реакції, переміщується в циліндрі, вихідні вікна якого з'єднані з фільтром. Степінь стиснення - основний фактор, що визначає ефективність використання енергії палива. Для її підвищення степінь стиснення повинна бути як можна вищою. Якщо вона занадто висока, виникає передчасне запалення і детонація, які руйнують двигун. Наприклад, надійний пуск дизельного двигуна здійснюється при степені стиснення приблизно 20-22 одиниці, при роботі на повному навантаженні оптимальна степінь стиснення складає 12-14 одиниць, а при наддуванні її величина може знижуватись до 7-8 одиниць [4]. В запропонованому двигуні-реакторі при збереженні незмінного силового зв'язку вихідного вала із споживачем здійснюється керована зміна об'єму камери згоряння в циліндрі шляхом регульованого переміщування центрів обертання одного кривошипа і опорного коромисла відносно положення іншого кривошипа. В залежності від вибраного режиму роботи двигуна-реактора, система керування підтримує відповідність об'єму камери згоряння і степені стиснення в ній компонентів параметрам робочого процесу, керує підведенням компонентів, виводом чи уловлюванням продуктів реакції. Це дає змогу використати запропонований двигун як реактор для здійснення в циліндрі керованих хімічних процесів, зокрема, при отриманні нових високодисперсних матеріалів: фулеренів, кремнеземів або оксидів хімічних елементів та провести інші перетворення. Наприклад, суміш повітря, складного ефіру кремнію з додатком палива змішуються і стискуються в циліндрі. В результаті стиску паливо запалюється і згорає. Утворені при цьому дисперсні частинки окису швидко охолоджуються при розширенні газового середовища над поршнем, який здійснює робочий хід. Регулюючи степінь стиснення можна отримати дисперсні окиси з регульованою величиною поверхні та розміром частинок, які можуть бути використані також для очистки, відновлення, поліровки або притирки ущільнювальних поверхонь в циліндрі. Як хімічний реактор найбільш доцільно застосовувати варіант запропонованого двигуна-реактора, в якому поршні з меншим діаметром установлені по два в одному циліндрі, який в середній частині має суцільну стовщену стінку, вхідні та вихідні вікна виконані лише на його кінцях, а поршні з більшим діаметром установлені по одному в окремих циліндрах, які зв'язані системою керування з можливістю вирівнювання в них робочих тисків. Ці циліндри мають кришки з клапанно-розподільним механізмом та засіб запалювання палива. Конструкція цього варіанту дви гуна-реактора дозволяє реакційну зону середнього циліндру виконати без кришки, клапанів і форсунки, а подаване повітрям паливо запалюється при зміні степені стиснення вихідних компонентів в середині циліндру. Така конструкція забезпечує проведення робочого процесу при значно вищих температурах та тиску реагуючи х компонентів. Застосування різновеликих поршнів, які безпосередньо передають зусилля один одному, а також сумісне використання газових та інерційних сил дво х поршнів, що зустрічно рухаються в одному циліндрі, дозволяють створити в його середній частині параметри газового середовища вищі, ніж у відомих конструкціях. Вирівнювання тисків, що виникають у двох кінцевих циліндрах при згорянні палива, досягається як за рахунок механічного зв'язку між двома кривошипно-шатунними механізмами, так і шляхом регульованого дозування вихідних компонентів в кінцевих циліндрах, наприклад, системою керування в залежності від положення рухомої рами або шляхом зміни величини навантаження на вихідні вали кривошипів. Система керування може забезпечити перерозподіл навантаження між кривошипами також з використанням додаткового електричного чи гідравлічного зв'язку, а вироблювана енергія може бути використана в технологічній схемі. В запропонованому двигуні-реакторі зберігається постійною передача обертального моменту споживачу, який, наприклад, зв'язаний з одним із кривошипів. При цьому переміщення другого кривошипа, коромисла, зв'язаного з ним шарнірно, забезпечує зміну об'єму камери згорання, що розташована між двома поршнями. Зміна степені стиснення в циліндрі може здійснюватися без зупинки двигуна-реактора і на всіх режимах його роботи. Система керування забезпечує зміну об'єму камери згоряння по визначеній заданій програмі, здійснює пуск, прогрів, робочий хід, а також виконує окремі операції керування в автоматичному режимі. На рухомій рамі запропонованого двигуна-реактора і/або у вікнах, принаймні, одного з циліндрів установлені індикатори роботи двигуна, які зв'язані з системою керування, яка при отриманні сигналу від індикаторів і/або при зміні швидкості переміщування рухомої рами з'єднує вихідне вікно циліндру з фільтром для уловлювання твердих частинок або токсичних речовин. Особливо це необхідно при переході двигуна-реактора від одного режиму до другого, коли горіння палива в циліндрі відбувається не в оптимальних умовах і можливе збільшення концентрації в газовій фазі токсичних продуктів, сажі. Процеси уловлювання в фільтрі можуть відбуватися при підвищеному тиску, а стиснені та очищені компоненти можна знову подавати в циліндр двигунареактора для подальшого здійснення корисної роботи. Одночасно система керування збільшує подачу повітря на вході в циліндр, що приводить до більш повного згоряння палива. Після завершення операції рухома рама фіксується, а фільтр, при необхідності, відключається. Збільшення степені згоряння палива підвищує к.к.д. двигуна-реактора. Одночасно знижується забруднення навколишнього середовища, продовжується термін дії фільтру, знижується гідравлічний опір на його виході. Фільтр в заданий період може забезпечити достатню очистку і наблизити до створення двигуна з "Нульовим" викидом токсичних речовин. В запропонованому двигуні-реакторі змінні фільтри можуть бути виконані із пористих металічних і/або керамічних матеріалів. Нанесення на поверхню пор окисів металів і/або їх гідратів, і/або інших аналогічних за властивостями сполук дозволяє зв'язати і видалити токсичні сполуки азоту, сірки, вуглецю та інших речовин із вихлопних викидів. Фільтри в подальшому можуть бути регенеровані в промислових умовах або використані одноразово. Робота двигуна-реактора з такими фільтрами в деяких випадках потребує менших витрат і може бути альтернативним рішенням застосуванню у двигуна х внутрішнього згоряння екологічно чистого водневого палива або електроприводу, використання яких в даний час зустрічає значні труднощі. Ефективність роботи фільтрів збільшується при зменшенні в двигуні витрат вуглеводневого палива, підвищення повноти його згоряння, зниження теплових та механічних втрат. Для зменшення матеріалоємності зовнішня оболонка фільтру може бути виконана із армуючого матеріалу, просоченого зв'язуючим, яке стверджують при температурі приміщення чи підвищеній температурі. В запропонованому двигуні-реакторі циліндри і/або поршні виготовлені із металу і/або керамічних матеріалів. В окремих випадках вони можуть бути виготовлені із пористих матеріалів, які містять каталізатори і мають канали у вигляді наскрізних пор з можливістю подавання крізь них компонентів. Наприклад, подавати крізь пористу керамічну насадку форсунки стиснене повітря, паливо. Розвинена поверхня пористих металічних чи керамічних матеріалів прискорить попередній підігрів та випаровування палива. Стінки пористих матеріалів можуть містити каталізатори, які прискорюють процеси перетворення речовин, наприклад, окиси металів і/або інші аналогічні за властивостями матеріали при окисненні вуглеводнів. При цьому каталізатори на стінки пористих матеріалів наносять так, що їх концентрація збільшується з наближенням до робочої поверхні. Менший розмір пор в матеріалі, зниження концентрації каталізатора поблизу екранованої ними металічної поверхні поршня або циліндра дозволить забезпечити їх кращий захист від теплових потоків. Збільшення розмірів пор з наближенням до робочої поверхні зменшить гідравлічні втрати в пористому шарі при русі в ньому газових компонентів при переносі тепла, в каталітичній реакції. Для зменшення матеріалоємності зовнішня оболонка циліндрів може бути виконана із армуючого матеріалу, просоченого зв'язуючим, яке стверджують при температурі приміщення чи підвищених температурах. Для інтенсифікації взаємодії компонентів канали в циліндрах і/або поршнях виконують з можливістю одночасного утворення в робочій камері зустрічних потоків взаємодіючих компонентів у взаємно перпендикулярних напрямках. В одному із варіантів двигуна-реактора торці поршнів виконують у вигляді увігн уто-опуклої куполоподібної поверхні, що дозволяє направити випромінювання полум'я і кінетичну енергію реагуючих компонентів в центр камери згоряння. Крім того, така форма поверхні підвищує міцність поршнів. Також в запропонованому двигуні-реакторі циліндр і/або кришку з клапанами жорстко закріплюють на рухомій рамі. В цьому випадку об'єм камер згоряння в кінцевих циліндрах залишається однаковим, що автоматично вирівнює в них робочий тиск і діючі зусилля. Симетричне навантаження на поршні розвантажує кривошипно-шатунний механізм від значних сил і він виконує в робочому циклі середнього циліндру тільки підготовчі операції для проведення газообміну. Суть заявленого винаходу пояснюється кресленням, на якому зображена схема поршневого двигуна-реактора. В корпусі 1 установлені циліндри 2, які зв'язані з клапанно-розподільним механізмом 3. В циліндрі кожний поршень 4 розташований з можливістю зворотно-поступального переміщування і шарнірно зв'язаний причіпним шатуном 5 з шатуном 6 і коромислом 7, який шарнірно установлений в корпусі. Шатун 6 шарнірно зв'язаний з кривошипом 8. Елементи 4-8 утворюють кривошипно-шатунний механізм. В корпусі установлені два однакові механізми, які зв'язані між собою з можливістю синхронної роботи та зрівноваженого руху всієї системи інерційних мас. Центри обертання одного із кривошипів 8 та опорного коромисла 7 установлені на рухомій рамі 9 з можливістю паралельного переміщування в шарнірних опорах та фіксації з допомогою приводу 10 відносно вісі циліндрів або площини, яка проходить через вісі обертання кривошипів 8. Циліндри 2 мають вікна і/або канали 11, в яких установлені клапани чи золотники 12, що зв'язані кінематичним зв'язком 13 з системою керування 14 і з індикаторами роботи двигуна-реактора 15, наприклад, датчиками появи твердих частинок, підвищення температури. Рухома рама має індикатори 16, які визначають її положення, швидкість і/або прискорення руху відносно центрів обертання кривошипів 8. Індикатори зв'язані системою керування 14 з клапанами чи золотниками 12 і керують роботою фільтру 17 та пристроєм подачі компонентів 18. Двигун-реактор працює таким чином. Суміш ви хідних компонентів подається в середній циліндр через пристрій 18, вікна 11, а в кінцеві циліндри з допомогою клапанно-розподільних механізмів 3. Поршні 4, які приводяться в рух кривошипно-шатунним механізмом, стискають газову суміш в кінцевих циліндрах 2, де вона запалюється. Тиск робочих газів діє на поршні більшого діаметру, які передають зусилля поршням меншого діаметру, що установлені в середньому циліндрі. Два поршні меншого діаметру стискають робочу суміш після закриття кінцевих вікон в циліндрі. В одному із варіантів двигуна-реактора вихідні компоненти подають назустріч один одному перпендикулярно вісі циліндру і газовому потоку, який стискається при зустрічному русі двох поршнів. В іншому варіанті двигуна-реактора газові компоненти стискаються в середній частині циліндру, де відсутні клапани, форсунка. Зміна положення рухомої рами 9 відносно центру обертання одного із кривошипів 8 приводить до збільшення степені стиснення, температури стиснених компонентів, їх взаємодії, спалаху та згорянню. Система керування, отримавши сигнал від індикатора прискорення 16, який установлений на рухомій рамі 9, відкриває клапани чи золотники 12 і з'єднує вихід циліндру з фільтром 17 для уловлювання твердих частинок, тому що в перехідний період процеси, що відбуваються в циліндрі, не є оптимальними і спричинюють утворення продуктів неповного згорання. Фільтр 17 підключається також, коли система отримує сигнал від індикатора роботи двигуна, наприклад, при підвищеній димності вихлопу. При цьому за допомогою системи керування на вході в циліндр може підвищуватися об'єм подачі повітря та степінь його стиснення. Одночасно відбувається вирівнювання робочих тисків у двох кінцевих циліндрах шляхом зміни подачі компонентів по заздалегідь заданій програмі, в залежності від положення рухомої рами 9. Двигун-реактор також може працювати, використовуючи відомий двотактний процес газообміну в циліндрах. В цьому випадку продувку циліндру здійснюють, наприклад, прямотечійним потоком стисненого повітря через вікна, які відкриваються поршнями в кінці робочого ходу. Після закриття вікон подають паливо, яке запалюється від стискання і після згорання створює тиск в циліндрі, де поршні здійснюють робочий хід послідовно в кінцевих та в середньому циліндрі. Цикл повторюється. Заявлений поршневий двигун-реактор можна виготовити з використанням відомого верстатного обладнання, матеріалів, те хнологій з досягнутою в двигунобудуванні точністю. Двигун-реактор можна виконати із металу, а також застосувати в ньому екрануючі керамічні матеріали або виконати циліндри і/або поршні із керамічних матеріалів. Таким чином вищенаведені відомості свідчать про досягнення технічного результату при здійсненні заявленого винаходу. Джерела інформації: 1. Двигатель внутреннего сгорания /Под ред. В.H. Луканина. - М.: Высшая школа, 1985. 2. Двигатели внутреннего сгорания /Под ред. A.C. Орлина, М.Г. Круглова. -М.: Машиностроение, 1980. 3. Патент України № 21401, МПК6 F 01В 9/00, F02 В 75/32, 2000. 4. Экономия горючего /Под ред. Е.П. Серегина - М.: Военное издательство, 1986.