 
|
|
|
|
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
|
(19)
|
RU
|
(11)
|
2398120
|
(13)
|
C2
|
|
(51) МПК
F02B71/00 (2006.01)
F02B75/04 (2006.01)
|
(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Статус: по данным на 28.09.2010 - действует
|
|
|
|
|
(21), (22) Заявка: 2007135119/06, 21.02.2006
(24) Дата начала отсчета срока действия патента:
21.02.2006
(30) Конвенционный приоритет:
24.02.2005 US 60/656,458
(43) Дата публикации заявки: 27.03.2009
(46) Опубликовано: 27.08.2010
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: US 7077080 А, 18.07.2006. US 6652247 B2, 25.11.2003. RU 32200 U1, 10.09.2003. RU 2013602 C1, 30.05.1994. SU 49633 A, 31.08.1936.
(85) Дата перевода заявки PCT на национальную фазу:
24.09.2007
(86) Заявка PCT:
US 2006/006309 20060221
(87) Публикация PCT:
WO 2006/091682 20060831
Адрес для переписки:
191036, Санкт-Петербург, а/я 24, "НЕВИНПАТ", пат.пов. А.В.Поликарпову
|
(72) Автор(ы):
Фитцджеральд Джон У. (US)
(73) Патентообладатель(и):
Фитцджеральд Джон У. (US)
|
(54) ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ СО СВОБОДНО ДВИЖУЩИМСЯ ПОРШНЕМ ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕННОГО ХОДА И С ВОСПЛАМЕНЕНИЕМ ОТ СЖАТИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПЕРЕМЕШАННОЙ СМЕСИ
(57) Реферат:
Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания. Предлагается четырехтактный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания со свободно движущимся поршнем возвратно-поступательного переменного хода, с воспламенением от сжатия предварительно перемешанной смеси и с коэффициентом сжатия, который меняется по мере необходимости для создания воспламенения смеси, с целью получения возможно более высокого кпд, низких выбросов и многотопливного режима работы. Двигатель не имеет коленчатого вала и, следовательно, непосредственно не производит ротационную выходную мощность. Вместо этого свободные поршни (23) совершают колебательное движение аналогично двухтактному свободно-поршневому двигателю. Во многих областях применения, таких как поршневые насосы и компрессоры, выходная мощность двигателя непосредственно генерируется поршнями, совершающими колебательное движение. В других областях применения, например при использовании в качестве газогенератора (2001) для силовой турбины (1603), но не ограниченных этим примером, двигатель имеет вспомогательные средства выработки ротационной энергии. При использовании двигателя с высокооборотными силовыми турбинами силовая турбина (1603) может напрямую соединяться с высокочастотным генератором переменного тока (1604) для получения электрической энергии. Изобретение обеспечивает повышение коэффициента полезного действия, уменьшение выбросов, работу в многотопливном режиме. 7 з.п. ф-лы, 41 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к двигателям, а именно к четырехцилиндровому, четырехтактному двигателю внутреннего сгорания со свободно движущимся поршнем возвратно-поступательного хода, с воспламенением от сжатия предварительно перемешанной смеси и с переменной длиной хода поршня, который обеспечивает повышение коэффициента полезного действия, уменьшение выбросов и возможность многотопливного использования. Области применения включают использование в механических транспортных средствах, насосах с приводом от электродвигателя, компрессорах с приводом от электродвигателя, небольших летательных аппаратах, морских транспортных средствах и инструментах с механическим приводом, но не ограничены указанным перечнем.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Разработка двигателя с воспламенением от сжатия предварительно перемешанной смеси (PCCI) и связанного с ним поршневого двигателя внутреннего сгорания с поршнем возвратно-поступательного хода и воспламенением однородной смеси (HCCI) продолжалась в течение ряда лет в Компаниях, Университетах и Национальных Лабораториях США, а также во многих зарубежных институтах. Среди них:
Компании:
Катерпиллар Инк
Камминз Инк
Дженерал Моторз Корпорэйшн
Вакеша Энжин
Университеты:
Хельсинский Технологический Университет, Хельсинки, Финляндия
Университет Хоккайдо, Саппоро, Япония
Лундский Технологический Институт, Лунд, Швеция
Массачусетский Технологический Институт, Бостон, Массачусетс
Норвежский Университет Науки и Технологии, Тронхейм, Норвегия
Калифорнийский Университет, Беркли, Калифорния
Мичиганский Университет, Анн Арбор, Мичиган
Миннесотский Университет, Миннеаполис, Миннесота
Университет Висконсина, Мэдисон, Висконсин
Лаборатории:
Аргоннская Национальная Лаборатория
Национальная Лаборатория Лоуренс Ливермор
Оакриджская Национальная Лаборатория
Сандийская Национальная Лаборатория
PCCI/HCCI двигатель дает возможность повышения коэффициента полезного действия, уменьшения выбросов и работы в многотопливном режиме. Технологический уровень варьируется от Вт до МВт. Разработка ведется в направлении как двухтактных, так и четырехтактных вариантов PCCI/HCCI двигателей. Результатом значительного вклада в данной области техники являются: американская патентная заявка  2004/00103860 компании Камминз по четырехтактным PCCI двигателям; патент США 6199519 в области двухтактного HCCI «термодинамического топливного элемента» со свободно движущимся поршнем, автор Van Blarigan из Сандийской Национальной Лаборатории; и американская патентная заявка 6463895 компании Катерпиллар, в которой описан двухтактный двигатель со свободно движущимся поршнем и с гидравлическим выпуском. Однако эти усилия все еще не привели к созданию по настоящему эффективного PCCI/HCCI двигателя. В четырехтактных PCCI/HCCI двигателях, созданных на основе обычных двигателей, например, компании Камминз, постоянная длина хода поршней приводит к постоянному коэффициенту сжатия, который ограничен в процессе воспламенения смеси. Таким образом, на данный момент работа указанного четырехтактного PCCI/HCCI двигателя основана, главным образом, на модификации существующих четырехтактных двигателей с акцентом на регулирование параметров смеси. Главное внимание в данных модификациях уделяется очень сложной регулировке состава смеси в отдельном цилиндре, а также регулировке температуры, необходимой для воспламенения смеси в нужный момент времени с целью достижения соответствующего равномерного горения между цилиндрами. В итоге четырехтактные двигатели очень сложны и очень чувствительны к окружающим условиям и характеристикам топлива. Двигатели настолько чувствительны, что в вышеуказанной опубликованной американской патентной заявке компании Камминз внимание уделяется использованию конкурирующих видов топлива для модификации свойств смеси, приводящих к самовоспламенению. Несмотря на данные трудности, в исследовании, проведенном компанией TIAX, занимающейся конструкторскими и технологическими разработками, и компанией Global Insight, занимающейся промышленным прогнозированием, озаглавленном «Перспективы развития сверхмощных силовых передач», прогнозируется, что: «К 2020 году HCCI двигатели будут служить источником энергии около 40% тяжелых транспортных средств. На начальном этапе HCCI двигатели будут способны приводить в действие лишь незначительные нагрузки при низких скоростях, поэтому для поставки большей мощности и при установке на двигатель большей нагрузки, в начальных модификациях двигателя, помимо этого, будет присутствовать обычное дизельное горение». Кроме того, в исследовании прогнозируется, что «в конечном итоге двигатель, работающий полностью в HCCI режиме, вытеснит исходный двигатель, совмещающий дизельную технологию и работу в режиме HCCI».
Во избежание ранее отмеченных трудностей, связанных с модификацией обычных двигателей, разработчики провели изучение других конфигураций двигателей для PCCI/HCCI. Двигатели со свободно движущимся поршнем отличаются переменной длиной хода и, таким образом, не имеют того ограничения, который имеют обычные двигатели с коленчатым валом. На протяжении многих десятилетий была проделана значительная работа в попытках разработки двигателя со свободно движущимся поршнем, имеющего практическое применение. Однако до настоящего времени успех был ограничен. Большая часть этих предшествующих попыток была сосредоточена на двухтактном дизельном варианте, при этом меньше внимания уделялось изучению двигателей с искровым зажиганием. Последняя разработка, проведенная фирмой INNAS Free Piston B.V. по созданию одноцилиндрового двигателя со свободно движущимся поршнем и гидравлической выходной мощностью, является примером попыток создания двухтактного дизельного двигателя со свободно движущимся поршнем, имеющего практическое применение, смотри патент США 6279517. Кроме того, компанией Sunpower, Inc. в патентах США 5775273 и 6035637 предложена конструкция двигателя со свободно движущимся поршнем, искровым зажиганием и приведением в действие регулируемого клапана, двигателя, в котором такт расширения больше, чем такт сжатия (для повышения кпд). Австралийская компания Pembek Systems Pty Ltd. рекомендует «Блок питания со свободно движущимся поршнем», предназначенный для гибридных электромобилей, в котором используются узлы из двухтактных двигателей (дизельных или с искровым зажиганием) с двумя свободно движущимися в противоходе линейными поршнями с автоматической продувкой, и в которых имеются интегральные линейные генераторы, смотри патент США 6651599. Однако до настоящего времени ни одна из вышеуказанных конструкций не дает реального улучшения эксплуатационных качеств двухтактного двигателя со свободно движущимся поршнем, что привело бы к созданию PCCI/HCCI модификации технологии, направленной на усовершенствование обычного модифицированного PCCI/HCCI двигателя. Это заключение находит подтверждение в последних аналитических исследованиях, проведенных, например, Van BIarigan из Сандийской лаборатории, в которых в двигателе со свободно движущимся поршнем применялся PCCI/HCCI цикл. Двухтактный PCCI/HCCI двигатель, находящийся в процессе разработки в Сандийской лаборатории, имеет большее ограничение по диапазону скоростей и дросселированию, создает большее количество выбросов, обладает меньшей плотностью энергии (главным образом, вследствие линейного генератора переменного тока) и большим расходом топлива (главным образом, вследствие ограничений, возникающих от продувки смеси, присущей двухтактным двигателям) по сравнению с аналогичным четырехтактным PCCI/HCCI двигателем. Компания Lotus Engineering Ltd. совместно с Шеффилдским Университетом и Университетом в Лохборо, Соединенное Королевство, занимается научно-исследовательской работой в области двухцилиндрового четырехтактного линейного двигателя со свободно движущимся поршнем с интегральным линейным генератором переменного тока (конфигурация которого аналогична конфигурации двухтактного узла, разработанного в Сандии), в котором выходная мощность генератора переменного тока накапливалась бы в виде электроэнергии во время рабочего такта/такта выпуска (во внешнем накопителе), а затем использовалась бы для работы генератора переменного тока в качестве двигателя для приведения в действие поршня (поршней) во время тактов впуска/сжатия и такта выпуска (см. на сайте http://www.shef.ac.uk/fabian/stefart ws5.ppt доклад «Четырехтактный преобразователь энергии со свободно движущимся поршнем», который был представлен Академической сетью предприятий по производству топливных элементов и аккумуляторов (FABIAN) в апреле 2005 года на конференции MIRA в Шеффилдском Университете. Их предварительная работа указывает на то, что данный двигатель имеет много усовершенствований по сравнению с двухтактным двигателем со свободно движущимся поршнем, включая использование PCCI/HCCI возгорания. Однако предложенный двигатель является сложным, требующим наличия линейного генератора переменного тока/двигателя с модернизированной и дорогостоящей схемой преобразования энергии, а также внешнего накопителя энергии. Более того, удельная энергия двигателя и работающих совместно с ним обслуживающих устройств будет невысокой.
Более того, следует обратить внимание на последнюю разработку компании Kvaerner ASA в области развития дизельного двухтактного газового генератора со свободно движущимся поршнем и турбинной выработкой энергии (см. статью «Динамика и регулировка дизельного двигателя со свободно движущимся поршнем» Йохансена и др. из норвежского Университет Науки и Технологии, факультет технической кибернетики в Трондхейме и из Kvaerner ASA Technology Development, Lysaker, Норвегия, представленную на сайте http://citeseer.csail.mit.edu/601185.html.). Данная исследовательская работа изначально основана на технологии, разработанной Pescara и описанной в патентах США | |
