ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВОМ Российский патент 1994 года по МПК F02B77/00 

Изобретение относится к двигателестроению.

Известна конструкция двигателя внутреннего сгорания с электрическим устройством для увеличения полезной работы. В камере сгорания двигателя параллельно днищу поршня неподвижно установлена пластина, не соприкасающаяся со стенками камеры сгорания. Пластина закреплена на электроде, введенном снаружи в камеру сгорания через изолятор. Электрическое устройство включает в себя источник питания, блок повышения напряжения, конденсатор, блок управления.

Описанный двигатель функционирует следующим образом. При приближении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) электрический заряд с конденсатора передается на пластину, расположенную в камере сгорания. При этом создается электрическое поле, которое способствует созданию силы, притягивающей поршень. После того, как поршень пройдет ВМТ, отключается подача заряда на пластину.

К недостаткам данной конструкции двигателя можно отнести следующее: при горении топливовоздушной смеси в зоне горения (фронте пламени) имеет место ионизация, поэтому при подаче напряжения 30000 В на пластину возможен пробой воздушного зазора между пластиной и поршнем, что отразится на нормальной работе двигателя и надежности поршня; пластина с малым теплоотводом в объеме камеры сгорания способствует возникновению калильного зажигания; пластина мешает нормальному протеканию процесса горения, так как находится на пути фронта пламени; наличие пластины ухудшает процесс очистки камеры сгорания от остаточных газов.

За прототип взят двигатель внутреннего сгорания с электромагнитной интенсификацией. В головке цилиндра установлена электрическая катушка, периодически запитываемая электрическим током различной полярности в зависимости от направления движения поршня. Постоянный магнит установлен в головке поршня так, что ось магнитной полярности направлена вдоль пути движения поршня. Возникающее магнитное поле или притягивает поршень при его движении к верхней мертвой точке, или отталкивает поршень при движении его вниз.

К недостаткам прототипа можно отнести следующее: через обмотку электрической катушки протекает ток от источника постоянного напряжения (аккумуляторная батарея либо генератор постоянного напряжения). Такого типа источники без промежуточного накопительно-форсирующего устройства не позволяют получить большую по амплитуде кратковременную величину тока, протекающего через обмотку электрической катушки. Следовательно, для того, чтобы создать достаточно заметную по величине индукцию магнитного поля в области между катушкой и закрепленным на поршне постоянным магнитом необходимо выполнять электрическую катушку с большим количеством витков. Большое количество витков вызывает увеличение индуктивности катушки и, как следствие, увеличение времени переходного процесса переключения направления тока в обмотке катушки на противоположное на каждом ходе поршня. При недостаточно большой скорости нарастания тока в обмотке катушки уменьшается сила взаимодействия катушки с поршнем, так как за время переходного процесса (установления максимальной величины тока в обмотке катушки) зазор между катушкой и поверхностью постоянного магнита существенно увеличится, а сила взаимодействия магнитных полей электрической катушки и постоянного магнита приблизительно обратно пропорциональна величине зазора в квадрате между катушкой и постоянным магнитом; крепление постоянного магнита в головке поршня вызывает определенные конструктивные трудности.

Перечисленные недостатки отрицательно влияют на топливную экономичность двигателя и отражаются на работоспособности конструкции двигателя.

Целью изобретения является улучшение топливной экономичности двигателя, оснащенного электрическим устройством, за счет увеличения полезной работы, совершаемой дополнительной электродинамической силой, действующей на поршень.

Признаки, общие с прототипом: головка цилиндра с теплоизолирующим слоем, поршень, электрическое устройство, состоящее из источника питания, блока повышения напряжения, блока управления, электрической катушки, размещенной в головке, конденсатора, отметчика ВМТ, расположенного на коленчатом валу, и датчика ВМТ, соединенного с электрическим устройством.

Признаки новые в сравнении с прототипом: головка цилиндра имеет электрическую катушку, обмотка которой расположена на периферии головки со стороны днища; электрическая катушка установлена так, что ее нижний торец расположен выше днища головки на толщину теплоизолирующего слоя; в качестве якоря, взаимодействующего с электрической катушкой, использован поршень; ширина торцевой поверхности поршня на периферии соответствует ширине торца катушки; электрическая катушка выполнена плоской, с обмоткой из витков прямоугольногоо провода, расположенными по спирали относительно торца катушки.

Существенные отличия:
- известны электрические катушки в виде индукторов для плоской штамповки металла. Функциональное назначение электрической катушки, выполненной в виде плоского спирального индуктора, состоит в создании импульса электродинамической силы, осуществляющего пластическую деформацию металла при магнитно-импульсной обработке.

В предложенном двигателе функциональное назначение электрической катушки совместно с поршнем, который выполняет функцию якоря, состоит в создании дополнительной электродинамической силы, действующей на поршень, и увеличении полезной работы.

Известен блок управления работой электрического устройства двигателя внутреннего сгорания. Функциональное назначение блока управления заключается в том, чтобы своевременно подавать и снимать напряжение с пластины, взаимодействующей с поршнем через электрическое поле.

В предложенном двигателе функциональное назначение блока управления (БУ), состоящего из блока повышения напряжения (ВПН), модуля формирования импульсов тока (МФИ), устройства смещения импульсов тока (УСИ) и задатчика управляющих сигналов (ЗС) - обеспечить в необходимый момент времени действие дополнительной электродинамической силы на поршень двигателя. Известны блоки повышения напряжения (БПН).

Функциональное назначение блока повышения напряжения состоит в повышении подводимого к нему переменного напряжения до заданной величины с последующим однополупериодным выпрямлением. Данный блок находит широкое применение в электротехнических устройствах. Применение данного блока для двухтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим устройством не известно;
Известны модули формирования импульсов тока (МФИ).

Функциональное назначение данного модуля состоит в создании при каждом включении коммутирующего тиристора синусоидального импульса тока положительной полярности. Данный модуль находит применение в различных отраслях электротехники, например магнитно-импульсная обработка металлов, электроэрозионная обработка металлов, электротермия и др.

Применение данного модуля для двухтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим устройством не известно;
Известны электронные устройства смещения импульсов тока (УСИ).

Функциональное назначение данного устройства состоит в создании прямоугольного импульса тока, сдвинутого на регулируемый промежуток времени от момента включения электронного устройства смещения импульсов тока.

Устройство находит широкое применение в системах автоматического управления для включения тиристоров в заданные моменты времени.

Применение устройств для двухтактных двигателей внутреннего сгорания с электрическим устройством не известно; известны задатчики управляющих сигналов (ЗС), включающие отметчик и датчик ВМТ.

Функциональное назначение данного задатчика состоит в подключении электронного устройства смещения импульсов тока (УСИ) к источнику постоянного напряжения в заданный момент времени и на заданный промежуток времени. Применение задатчика управляющих сигналов для двухтактных двигателей внутреннего сгорания с электрическим устройством не известно.

На фиг. 1 показан двигатель внутреннего сгорания в момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке, подача тока на катушку отсутствует; на фиг. 2 - схема действия дополнительной электродинамической силы на поршень; на фиг. 3 - принципиальные электрические схемы блока управления (БУ), состоящего из блока повышения напряжения (БПИ), модуля формирования импульсов тока (МФИ), электронного устройства смещения импульсов тока (УСИ) и задатчика управляющих сигналов (ЗС); на фиг. 4 - графики тока i, протекающего через обмотку электрической катушки, и дополнительной электродинамической силы F_д, действующей на поршень.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг. 1) состоит из головки 1, в которой расположена электрическая катушка 2, на которую со стороны днища нанесен теплоизолирующий слой 3. Катушка имеет электрическую связь с блоком управления 4, к которому подключен датчик ВМТ 5, взаимодействующий с отметчиком ВМТ 6, установленным на коленчатом валу 7, поршень 8 выполняет функцию якоря при взаимодействии с магнитным полем катушки 2, причем ширина торцевой поверхности поршня 8 на периферии соответствует ширине торца катушки 2, обмотка которой выполнена из витков прямоугольного провода, расположенных по спирали относительно торца катушки 2.

Двухтактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг. 1) работает следующим образом.

После того, как поршень 8 пройдет положение ВМТ, от блока управления 4 на электрическую катушку 2 поступает импульс тока, при этом вокруг последней возникает переменное магнитное поле, которое, взаимодействуя с поршнем 8, выполненным, например, из алюминиевого сплава, наводит в нем вихревые токи. Вихревые токи взаимодействуют с магнитным полем катушки 2 и создают дополнительную электродинамическую силу, действующую на поршень 8 и совершающую полезную работу. Дополнительная электродинамическая сила достигает своего максимального значения при соответствии ширины торца поршня 8 на периферии ширине торца электрической катушки 2. Момент начала подачи импульса тока на катушку и продолжительность его действия (для одного цилиндра) в общем случае зависит от конструктивных параметров кривошипно-шатунного механизма и частоты вращения коленчатого вала. Для многоцилиндрового двигателя порядок работы его цилиндров определяет момент подачи импульсов тока на обмотки катушек каждого цилиндра. Индуктивный датчик ВМТ 5 вырабатывает электрический сигнал при прохождении мимо него отметчика ВМТ 6, установленного на коленчатом валу 7 (свеча зажигания на фиг. 1 не показана).

Рассмотрим более подробно картину действия на поршень дополнительной электродинамической силы F_д в предлагаемом двигателе, оценим величину силы и полезную работу, совершаемую ею (см. фиг. 2).

Расчет проведем для режима работы одноцилиндрового двухтактного двигателя диаметром цилиндра 0,12 м, ходом поршня 0,14 м, длиной шатуна 0,25 м, частотой вращения коленчатого вала 2000 мин^-1.

На фиг. 2 для рассматриваемого двигателя приведены графики силы давления газов в цилиндре Р_г, силы инерции Р_иА, суммарной силы Р_А и тангенциальной силы Т_А, действующей на кривошипе коленчатого вала и создающей крутящий момент. Все эти силы рассчитаны по известным формулам динамического расчета.

На фиг. 2 для рассматриваемого двигателя приведены расчетные значения зазора между днищем головки цилиндра и поршнем h_д, электродинамической силы F_д и положительной силы Т_Д (в различных диапазонах угла поворота коленчатого вала - сплошная и пунктурные линии). Рассматривая действие силы F_д на поршень, следует отметить следующее. Сила F_д достигает своего максимального значения при минимальном зазоре между поршнем и головкой, т. е. в районе ВМТ. Однако при этом мало значение силы Т_д. По мере удаления диапазона действие силы F_д от ВМТ величина ее уменьшается, но значение силы Т_д растет быстрее, чем происходит уменьшение F_д. Затем наступает такой момент по углу поворота коленчатого вала, когда суммарный крутящий момент, возникающий на кривошипе от действия силы Т_д, достигает своего наибольшего значения. Это и определяет рациональное положение относительно ВМТ диапазона действия силы F_д. Дальнейшее смещение от ВМТ диапазона действия силы F_д приводит к уменьшению силы Т_д, а следовательно, и момента на кривошипе.

Расчет силы F_д с учетом изменяемого зазора h_д проводился по известной методике, при напряжении 1000 В и емкости конденсатора 180 мкФ. Минимальная величина зазора h_д равна 2,5 мм. Это связано с тем, что необходимо иметь теплоизолирующий слой для защиты электрической катушки от теплового потока со стороны камеры сгорания. В качестве такого слоя может быть использован керамический огнеупор СТ. Высокая эмиссионная способность огнеупора фактически уменьшает эффект теплоотдачи, отражая большую часть тепла и возвращая его в процесс сгорания. Отражение тепла от поверхности может достигаться без опасного повышения температуры на поверхности. Водяное охлаждение головки цилиндра снижает опасность перегрева электрической катушки. Форма камеры сгорания предлагаемого двигателя также способствует уменьшению теплового потока в головку цилиндра на периферии.

Двухтактный двигатель может выполняться различной конструкции. Помимо представленного на фиг. 1, это может быть двигатель с предкамерой изменяемой геометрии, с выпускным клапаном в головке цилиндра, с впрыском топлива форсункой в начале такта сжатия.

Вернемся к расчету величины добавочного положительного момента от действия силы Т_д (см. фиг. 2). Значение этой величины 0,98 н. м. Добавка мощности для рассматриваемого одноцилиндрового двигателя составит 0,206 кВт.

Структурно блок управления (БУ) (см. фиг. 3 и 4) состоит из блока повышения напряжения (ВПН), модуля формирования импульсов тока (МФИ), устройства смещения импульсов тока (УСИ) и задатчика управляющих сигналов (ЗС). Блок повышения напряжения (БПН) содержит: Тр1 - силовой повышающий трансформатор; R1 - нерегулируемый резистор; Д1 - полупроводниковый диод.

Модуль формирования импульсов тока (МФИ) содержит С1 - импульсный конденсатор металлобумажного либо металлопленочного типа; Т1 - коммутирующий (силовой) тиристор.

Электронное устройство смещения импульсов тока (УСИ) содержит Тр2 - разделительный импульсный трансформатор; ОПТ - однопереходный транзистор; СТ - стабилитрон; С2 - окасидно-полупроводниковый (танталовый) времязадающий конденсатор; Д2 - полупроводниковый диод; R2-R6 - нерегулируемые резисторы; R7 - регулируемый резистор. Задатчик управляющих сигналов (ЗС) может иметь различные принципиальные и конструктивные исполнения. В блоке управления (БУ) показана одна из простейших возможных конструкций ЗС на основе вращающегося кулачкового механизма, механически связанного с коленчатым валом двигателя внутреннего сгорания.

При включении БПН на переменное напряжение с помощью трансформатора Тр1 происходит повышение напряжения до заданной величины. Выпрямленное с помощью диода Д1 напряжение подается на конденсатор С1 модуля формирования импульса тока МФИ. Резистор R1 необходим для ограничения зарядного тока конденсатора С1. При этом конденсатор С1 заряжается до напряжения, равного амплитудному значению напряжения на вторичной обмотке трансформатора Тр1. После заряда конденсатора С1 до заданного напряжения МФИ готов к работе.

Электронное устройство смещения импульсов тока (УСИ) работает следующим образом. При срабатывании задатчика управляющих сигналов (ЗС) в заданный момент времени постоянное напряжение подается на УСИ и начинает заряжаться конденсатор С2. Время заряда конденсатора С2 определяется величинами сопротивлений резисторов R5+R7. Когда напряжение на С2 достигнет максимального напряжения на эмиттере транзистора ОПТ, последний отпирается и подает управляющий импульс тока на управляющий электрод тиристора Т2 и открывает его. Через нагрузку (трансформатор Тр2, резистор R2 и управляющий электрод тиристора Т1) начинает протекать ток открытия тиристора Т1. Тиристор Т1 открывается и через обмотку электрической катушки 2 начинает протекать импульс разрядного тока i конденсатора С1 (см. фиг. 4). Время протекания этого синусоидального импульса тока равно Δt_и и определяется параметрами разрядного контура (емкостью и напряжением заряда конденсатора С1, индуктивностью и омическим сопротивлением обмотки электрической катушки 2). Как было показано, при протекании импульса тока i в обмотке электрической катушки 2 на поршень 8 действует дополнительная электродинамическая сила F_д, которая имеет форму, близкую к синусоиде и действует в тот же временной промежуток, что и импульс тока i.

Когда тиристор Т2 отпирается, напряжение на ОПТ быстро снижается менее чем до 2 В. При этом так же быстро снижается напряжение на конденсаторе С2, запирая при этом ОПТ и прекращая протекание управляющего импульса тока через тиристор Т2. Таким образом, выбирая определенные соотношения между величинами емкости конденсатора С2 и сопротивления резисторов R5+R7 можно регулировать выдержку времени Δt₁ (см. фиг. 4) от момента срабатывания задатчика управляющих сигналов (ЗС) до открытия тиристора Т1, т. е. до момента включения электрической катушки 2.

При изменении частоты вращения двигателя должен по тому же закону изменяться интервал времени Δt₁. Это осуществляется механической связью реохорды либо ползуна регулируемого резистора R7 с органом управления частотой вращения коленчатого вала двигателя и соответствующим подбором величины сопротивления резистора R7.

Расчет кулачкового механизма задатчика управляющих сигналов (ЗС) определяется следующими основными условиями: замыкание контактов ЗС происходит в тот момент, начиная от которого за интервал времени Δt₁ коленчатый вал двигателя провернется на заданный угол от момента ВМТ; минимальное время замкнутого состояния контактов ЗС обеспечит надежное срабатывание тиристора Т2 и, соответственно, тиристора Т1; максимальное время замкнутого состояния контактов ЗС не более промежутка времени, при котором УСИ надежно обесточивается к моменту последующего включения электрической катушки 2 на самом высокооборотном режиме работы двигателя.

Сущность изобретения: с целью улучшения топливной экономичности за счет использования электрического устройства, позволяющего увеличить полезную работу двигателя, головка цилиндра последнего имеет электрическую катушку, которая электрически связана с блоком управления, при этом в качестве якоря, взаимодействующего с магнитным полем катушки, использован поршень. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ УСТРОЙСТВОМ, содержащий цилиндр с поршнем, головку цилиндра, коленчатый вал с отметчиком верхней мертвой точки, датчик верхней мертвой точки, соединенный с электрическим устройством, состоящим из источника питания, блока повышения напряжения, блока управления конденсатора и электрической катушки с теплоизолирующим слоем, размещенной в головке цилиндра, отличающийся тем, что, с целью повышения его топливной экономичности, обмотка электрической катушки расположена на периферии головки цилиндра так, что ее торцевая поверхность находится выше опорной поверхности головки на толщину теплоизолирующего слоя, причем катушка электрически связана с блоком управления, который подключен к источнику питания и к датчику верхней мертвой точки. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что в днище поршня выполнена выемка, причем ширина торцевой поверхности вытеснителя равна ширине торца катушки. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что электрическая катушка выполнена плоской с обмоткой из прямоугольного провода, витки которой расположены по спирали.