Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02B27/00 

Изобретение относится к области энергетического машиностроения, конкретнее - к двигателям внутреннего сгорания.

Известны способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания для реализации этого способа 1,

Известный способ работы двигателя заключается в продувке цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительном сжатии воздуха в цилиндре, подаче топлива в сжатый воздух, сгорании и расширении продуктов сгорания, перепуске их в начале на вход перепускного канала, отсоединенного от впускного патрубка, предварительном сжатии воздуха в перепускном канале и подаче его во впускные окна, соединении входа перепускного канала с выпускным патрубком и продувке его во время процессов дополнительного сжатия, сгорания и расширения.

Этот способ и двигатель для его реализации обеспечивают эффективное использование импульсов давления выпускных газов в перепускном канале и повышение экономичности двигателя.

Недостатком известного решения является неполное использование энергии продолженного расширения продуктов сгорания, поскольку их энергия многократно

VI

О

ел VJ

Сл)

превышает работу продувки цилиндров свежим зарядом воздуха.

Целью изобретения является повышение экономичности двигателя путем использования энергии выпускных газов не только на продувку цилиндров, но и на увеличение его мощности путем подачи части предварительно сжатого воздуха в подпоршневые полости цилиндров и последующего расширения его во время сжатия заряда в основ- ной рабочей камере.

На фиг.1 изображен двигатель с подвижной перегородкой, осевой разрез; на фиг.2 - приведен вариант двигателя с дополнительным цилиндром и поршнем, осе- вой разрез.

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, в котором расположены два оппозитных поршня 2 и 3 со штоками А и 5, кинематически связанными с приводом, обеспечивающим противоположное движение поршней (например, шарнирно соединенными с коромыслами, сопряженными с качающимися шайбами, установленными с возможностью вращения на косых криво- шипах силового вала двигателя), Между крышками цилиндра и задними торцами поршней имеются подпоршневые полости 6 и 7, сообщающиеся между собой через отверстия 8-10. В крышках цилиндров выпол- нены отверстия 11, сообщающиеся с выпускным трактом; в отверстиях установлены автоматические клапаны 12 с пружинами 13, усилие которых реализовано достаточным для автоматического открытия клапана при избыточном давлении в под- поршневых полостях примерно 0,3...1 бар. При положении поршней вблизи нижней мертвой точки (см. фиг.1) клапаны поджаты упругими упорами 14, выполненными, на- пример, в виде пластинчатых пружин, закрепленных на торцах поршней. Пружины 13 могут быть оперты или на корпус, или на шайбу 15, установленную в цилиндре с возможностью осевого перемещения при взаимодействии с упором 16, неподвижно установленным на штоке.

В цилиндре 1 выполнены впускные окна 17, сообщающиеся с продувочным ресивером 18, и выпускные окна 19, соединенные со входом перепускных каналов, расположенных диаметрально противоположно относительно цилиндра. Перепускные каналы выполнены в виде пневмоцилиндра поворотного движения, состоящего из цилинд- рической оболочки 20 с основанием 21, двух торцовых крышек 22 и подвижной перегородки 23, установленной на подшипниках с возможностью поворота в полости нагнетателя и разделяющей ее на две части 24 и 25.

Перегородка 23 выполнена в виде легкой панели с сотовым заполнителем из ряда радиальных ревер, она может быть изготовлена методом пайки из листовых титановых или стальных элементов. Перегородка сопряжена с возвратной пружиной, например с пружиной кручения 26, расположенной внутри пустотелого вала и зафиксированной одним концом в упомянутом валу, а другим - в одной из торцовых крышек 22. Усилие пружины обеспечивает поджатие перегородки 23 в исходном нерабочем состоянии к выпускным окнам 19. Внутренние поверхности торцовых крышек 22 и оболочки 20 имеют мягкое износное покрытие (например, графитотальковое или графитоа- люминиевое, применяемое в воздушных бесконтактных уплотнениях газотурбинных двигателей), кроме того, износные поверхности на части с углом «имеют структуру из элементов лабиринтных уплотнений в виде сотовых ячеек или канавок, которые на поверхности оболочки 20 направлены по образующей цилиндрической поверхности, а на поверхностях торцевых крышек расположены ради- ально. Глубина и емкость лабиринтных ячеек выбираются из условия обеспечения реверса утечек, т.е. возврата утечек газа назад в полость 25 при расширении продуктов сгорания в ней (для чего глубина и емкость ячеек выполняется переменной, обратно пропорциональной скорости пластины на угле поворота а). Угол а соответствует фазе поворота лопасти, при которой давление в полости 25 пре- вышает давление в полости 24, т.е. лабиринтная структура выполняется на части указанных поверхностей, расположенных у входа перепускного канала. В части основания 21, расположенной в полости 25 вблизи торцовых крышек 22 выполнены выпускные отверстия, сообщающиеся с выпускными патрубками 27 и снабженные выпускными клапанами 28 с пружинами 29. Усилие пружин 29, подобно пружинам 13, обеспечивает автоматическое открытие клапана 28 при падении давления в полости 25 до 0,3...1 бар (избыточных). Клапаны 28 кинематически связаны с перегородкой 23, например, соприкосновением их или посредством рычага 30, взаимодействующего с тарелкой 31 клапана и через толкатель 32 - с кулачком 33, установленным на валу перегородки. В цилиндрической оболочке 20 выполнены впускные отверстия 34 с установленными в них обратными клапанами 35, выпускные отверстия 36 и 37 - с обратными (например, пластинчатыми) клапанами 38 и 39, посредством которых полость 24 нагнетателя сообщена соответственно с ресивером 18 и с патрубком 40. Отверстия 37 расположены на расстоянии от основания 21. Кроме того, в торцовых крышках 22 тоже могут быть выполнены впускные отверстия 41 с обратными клапанами.

Устройство двигателя допускает различные варианты исполнения. В частности, ресиверы 18 могут быть выполнены в виде теплообменника с запаянными в его стенки трубками 42, сообщающиеся с источником охлаждающего воздуха.

На фиг.2 изображен двигатель с перепускным каналом в виде пневмоцилинра 43 с поршнем 44, полость 45 которого сообщена с выпускными окнами 46 и через выпускной автоматический клапан 47 с выпускным патрубком, а полость 48 через выпускные окна 49 с обратными клапанами 50 (выполненными, например, в виде разрезного упругого кольца) сообщена с продувочным ресивером 51, через окна 53 с обратными клапанами 54, окна 55, газовод 56, полость 48 сообщена с подпоршневыми полостями 57 и 58. Поршень 44 выполнен пустотелым, кольцевой формы и сопряжен посредством аэростатического подшипника с дросселирующими отверстиями 59 с наружной оболочкой ресивера 51, наддув подшипника осуществляется через отверстия 60 с обратными клапанами 61 сжатым воздухом из полости 48. В торце пневмоцилиндра выполнено впускное отверстие 62 с обратным клапаном 63.

Вместо перепускного канала, расположенного коаксиально относительно цилиндра, возможно использование двух каналов, выполненных в виде обычных пневмоци- линдров и расположенных параллельно с обоих сторон цилиндра; этот вариант принципиально подобен варианту на фиг.1 и на чертежах не изображен,

Реализация способа работы и действие ДВС осуществляется следующим образом. При встречном движении поршней 2 и 3 в рабочей камере цилиндра 1 осуществляется сжатие, затем вблизи В.М.Т. через форсунку 64 впрыскивается топливо, происходит его сгорание и процесс расширения продуктов сгорания при обратном ходе поршней. В этот момент перегородки 23 пружинами 26 поджаты к выпускным окнам 19, выпускные клапаны 28 при этом закрыты или непосредственно лопастью 23, или кулачком 33 через толкатель 32 и рычаг 30. В фазе активного выпуска, когда поршень3 открываетокна 19 и продукты сгорания под значительным избыточным давлением (примерно 4...8 бар)

проникают в полость под перегородкой 23, последняя получает ускоренное вращательное движение при повороте на угол а, при этом угловая скорость вращения может превышать 1000 рад/с, а окружная скорость - более 30 м/с. В полости 25 перепускного канала происходит процесс продолженного расширения выпускных газов, а в полости 24 - сжатие воздуха. Затем давление по

0 обе стороны ее выравнивается и достигает величины примерно 2 бар, и дальнейшее движение перегородки происходит с торможением за счет приобретенной кинетической энергии. Сжатый воздух из полости 24

5 через отверстия 36 вытесняется в продувочный ресивер 18 и через впускные окна 17 поступает в рабочую камеру цилиндра 1, обеспечивая прямоточную вихревую продувку камеры. После подачи в ресивер обь0 ема воздуха, достаточного для продувки, перегородка 23 перекрывает отверстия 36, при этом обратные клапаны 38 закрываются. При дальнейшем ходе перегородки по инерции давление в полости 24 повышается

5 до 6...10 бар, сжатый воздух вытесняется в подпоршневые полости 6, 7. После прохождения перегородки 23 окна 37 закрывается клапан 39, давление в оставшейся замкнутой полости 65 скачкообразно возрастает и

0 отражает перегородку 23 обратно, т.е. полость 65 является пневматическим буфером. При обратном ходе перегородки открываются клапаны 35, 41, через которые осуществляется всасывание свежего заряда

5 (воздуха) и вытеснение продуктов сгорания через автоматически открывшиеся при низком давлении в камерах 25 клапаны 28 в выпускные патрубки 27, После продувки рабочей камеры цилиндра 1 сжатым воздухом

0 происходит процесс сжатия в этой камере, при этом объем подпоршневых полостей 6, 7 увеличивается и находящийся в этих полостях сжатый воздух расширяется, совершая полезную работу. После падения давления

5 в подпоршневых полостях примерно до 0,5 бар (избыточных) пружины 13 открывают клапаны 12 и в фазе расширения в основной рабочей камере цилиндра происходит выпуск воздуха из подпоршневых полостей че0 рез отверстия 11. Упоры 16, взаимодействуя с шайбами 15, обеспечивают более энергичное открытие клапанов 12.

Последовательность операций способа работы и действия устройства на фиг.2 ана5 логичны: в фазе активного выпуска поршень 44 ускоряется и вытесняет сжатый воздух низкого давления в продувочный ресивер 51, а сжатый воздух высокого давления - в подпоршневые полости 57, 58, где он расширяется в процессе сжатия в рабочей камере цилиндра 1, Всасывание свежего воздуха происходит через обратный клапан 63, выяуск продуктов сгорания - через автоматические клапаны 47,

Исполнение ресивера в виде теплооб- менника с охлаждающими трубками 42 позволяет снизить температуру продувного воздуха, увеличить его плотность, уменьшить работу сжатия, т.е. повысить мощность и экономичность двигателя, снизить теплонапряженность.

Приработочные покрытия на внутренних поверхностях перепускного канала обеспечивают в процессе работы минимальный гарантированный зазор между по- движной перегородкой 23 и корпусом нагнетателя, равный примерно 0,05-0,1 мм. Микрополости ячеек лабиринтных уплотнений обеспечивают при движении перегородки 23 возврат утечек газа обратно в полость 25, т,е, обеспечивают повышение объемного КПД нагнетателя.

Формула изобретения

1.Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем предварительного ежа- тия воздуха в перепускном канале, продувки цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительного сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания и их выпуска с использованием импульсов давления в перепускном канале между выпускным и впускным патрубками, перепуска продуктов сгорания на вход перепускного канала в начале выпуска и выпуска продуктов сгорания из перепускного канала

во время дополнительного сжатия, сгорания и расширения,отлича ющийся тем, что, с целью повышения экономичности, перед направлением предварительно сжатого воздуха во впускной патрубок часть его перепускают в продувочный ресивер, сообщенный с впускными окнами цилиндра, оставшуюся часть предварительно сжатого воздуха вытесняют в подпоршневые полости, из которых в кон- це дополнительного сжатия ее перепускают в выпускной патрубок.

2.Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр

с впускными и выпускными окнами и размещенными в нем противоположно движущимися поршнями со штоками, впускной и выпускной патрубки и перепускной канал с подвижной перегородкой, соединенный входом через первые обратные клапаны с выпускным патрубком, а выходом с впускным патрубком, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, он снабжен подпоршневыми полостями и продувочным ресивером, сообщенным с впускными окнами цилиндра, в средней части перепускного канала выполнены отверстия, снабженные дополнительно установленными вторыми обратными клапанами и связанными с продувочным ресивером, а выход перепускного канала выполнен с возможностью образования в нем буферной полости между стенкой канала и подвижной перегородкой и соединен через дополнительно установленные третьи обратные клапаны с подпоршневыми полостями, связанными через дополнительно установленные четвертые обратные клапаны с выпускным патрубком.

3.Двигатель по п.2, отличающийся тем, что перепускной канал и подвижная перегородка выполнены соответственно в виде дополнительного цилиндра с размещенным в нем дополнительным поршнем.

4.Двигатель по п.2, отличающийся тем, что первые обратные клапаны кинематически связаны с подвижной перегородкой.

5.Двигатель по пп.2-4, отличающийся тем, что продувочный ресивер выполнен в виде теплообменника.

6.Двигатель по пп,2-5, отличающийся тем, что на штоках поршней установлены упоры с возможностью воздействия на четвертые обратные клапаны.

7.Двигатель попп,2-6,отлича ю- щ и и с я тем, что на боковых поверхностях перепускного канала выполнено прирабо- точное покрытие.

8.Двигатель по пп.2-7, отличающийся тем, что на боковой поверхности перепускного канала вблизи его входа выполнено лабиритное уплотнение.

BS

42

22

28

IS

Фиг.1

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Воздух предварительно сжимают импульсами давления выпускных газов в перепускном канале, направляют сжатый воздух через обратные клапаны сначала в продувочный ресивер, а затем - в подпоршневые полости, продувают рабочие камеры цилиндров путем соединения впускных окон с ресивером, а выпускные окна - с входом перепускного канала, дополнительно сжимают заряд в рабочей камере с одновременным расширением сжатого воздуха в подпоршневых полостях, подают топливо в рабочую камеру с последующим его сгоранием и расширением продуктов сгорания с одновременным выпуском воздуха из подпоршневых полостей в выпускной тракт. Способ реализуется в двигателе, снабженном перепускным каналом, вход которого разделен с выходом подвижной перегородкой и соединен посредством первых обратных клапанов с выпускным патрубком, средняя часть канала вторым обратными клапанами соединена с наддувочным ресивером, выход канала снабжен буферной полостью и третьими обратными клапанами, а подпоршневые полости содержат четвертые обратные клапан. Способ и устройство обеспечивают полное использование энергии давления продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил. Ё

W W 9 Щ //$ 43 1

57 50 5241