СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1994 года по МПК F02B27/00 

Изобретение относится к области энергетики, конкретнее к способам работы и устройствам двигателей внутренней сгорания.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем продувки цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительного сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания, подачи их на вход перепускного канала, сжатия в нем продувочного воздуха и последующего выпуска продуктов сгорания в выхлопной тракт. Устройство, реализующее способ, содержит качающийся поршень (лопасть), разделяющий вход и выход перепускного канала.

Недостатками известного ДВС являются неполное использование энергии выпускных газов и недостаточная уравновешенность двигателя.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. повышение эффективности двигателя путем дополнительного сжатия воздуха в подпоршневых полостях и его последующего расширения размещением в перепускном канале двух оппозитно движущихся поршней, упрощением клапанных узлов, регулированием давления газа в подпоршневых полостях.

На фиг.1 изображен двигатель в осевом разрезе; на фиг.2 - то же, вариант с двумя дополнительными поршнями; на фиг.3 - устройство перепускного клапана; на фиг.4 - вариант выпускного клапана.

Двигатель содержит по меньшей мере один рабочий цилиндр 1, в котором с возможностью взаимного противоположного движения размещены поршни 2 и 3 со штоками 4 и выполнены впускные окна 5, сообщающиеся через ресивер 6 и впускной патрубок 7 с источником сжатого воздуха (например, с турбокомпрессором), выпускные окна 8, сообщающиеся с входом перепускного канала 9, снабженного выпускными клапанами 10 и выпускными патрубками 11. Перепускной канал посредством подвижно установленного дополнительного кольцевого поршня 12 разделен на две части; его выход через перепускные клапаны 13, полость 14, окна 15 и трубопроводы 16 сообщен с подпоршневыми полостями 17 и 18. Полость 14 трубопроводом 19 через газовый редуктор 20 с регулирующим элементом - рычагом 21 сообщена с внешним источником сжатого воздуха, например с пневмосистемой транспортной машины. Рычаг 21 кинематически связан (например, посредством тяги, тросов и т.п.) с регулятором цикловой подачи топлива (с топливным насосом или дроссельной заслонкой), эта связь обеспечивает повышение давления на выходе из газового редуктора при увеличении расхода топлива.

Двигатель работоспособен также при соединении трубопровода 19 с полостью ресивера 6. Трубопровод 19 может быть снабжен обратным клапаном 22. Управление выпускными клапанами 10 и перепускными клапанами 13 может быть выполнено традиционным - посредством коромысел, кинематически связанных с кулачковым валом (это исполнение по причине его широкой известности на чертежах не изображено), на фиг.1 и 3 изображены более простые варианты, характеризующиеся тем, что торцы дополнительного поршня 12 выполнены плоскими и сопряжены в крайних положениях хода дополнительного поршня с тарелками клапанов 10 и 13, которые на периферии имеют кольцевые опорные поверхности, ограничивающие торцовые углубления - полости 23 малой глубины, например, в виде внутреннего конуса с глубиной, примерно в 1,5 раза превышающей величину упругой деформации (прогиба) тарелки при соприкосновении его с поршнем 12. Клапаны снабжены пружинами 24 и 25, на стержне клапана 26, с возможностью осевого перемещения установленного в отверстии 27 корпуса, закреплена дополнительная тарелка 28 с внутренней полостью 29 и выполнены пазы (лыски) 30, посредством которых и трубопровода 31 полости 29 в закрытом положении клапана сообщены с выпускным патрубком 11. Диаметр тарелки 28 больше диаметра тарелки клапана 13.

В двигателях с продувкой несжатым воздухом, находящимся под атмосферным давлением (без турбокомпрессора), выпускной клапан 10 дополнен обратным клапаном 32 (фиг.4) с пружиной 33, а объем перепускного канала увеличен примерно в 1,7 раза.

Возможен вариант двигателя, содержащего не один, а два дополнительных поршня 34 и 35, два перепускных клапана 36 и 37, две полости 38 и 39, соединенные между собой и с подпоршневыми полостями трубопроводами 40 и 41, выпускные клапаны 42 с пружинами 43 и поршнями 44, подвижно с зазором установленными в цилиндрах 45. Клапаны 36, 37 и 42 могут иметь привод от обычного кулачкового вала, однако проще исполнение выпускных клапанов 36 и 37 согласно фиг. 3, а выпускного клапана 42 в виде диска, подвижно сопряженного с минимальным зазором с цилиндрическим отверстием 46, длина l которого и масса клапана 42 со стержнем и поршнем 44 выбираются из условия приблизительного равенства времени хода до начала открытия клапана и времени хода поршней 34 и 35 до клапанов 36 и 37.

Возможен также вариант двигателя с дополнительным поршнем в виде качающейся (поворотной) лопасти, сопряженной с перепускным каналом в виде цилиндрического сектора (подобно прототипу).

Вместо коаксиального расположения перепускного канала возможно исполнение его в виде обычного цилиндра, расположенного рядом с основным и снабженного обычным (не кольцевым) дополнительным поршнем. В цилиндре 1 установлена форсунка 47 или свеча зажигания.

Реализация способа и действие двигателя осуществляются следующим образом. После продувки рабочей камеры двигателя через окна 5 и 8 встречным движением поршней 2 и 3 производится сжатие воздушного заряда, впрыск топлива через форсунку 47, самовоспламенение смеси и расширение продуктов сгорания. Перед открытием выпускного окна 8 дополнительный поршень 12 на фиг.1 находится в крайнем левом положении, при этом выпускной клапан 10 под воздействием поршня 12 прижат к седлу и закрыт, клапан 13 открыт, в подпоршневых полостях 17 и 18, в полости 14 и в правой части перепускного канала находится воздух под давлением порядка 3 бар, регулируемым газовым редуктором 20 через кинематическую связь рычага 21 с регулятором цикловой подачи топливного насоса. С началом открытия окон 8 продукты сгорания из рабочей камеры цилиндра 1 под давлением примерно 10 бар проникают на вход перепускного канала 9 в зазор между выпускным клапаном 10 и торцом поршня 12, при этом клапан давлением газа удерживается в закрытом положении, а поршень с большим ускорением движется вправо, сжимает воздух в полостях 14, 17 и 18 и в конце хода закрывает клапаны 13. В этой фазе действия двигателя давление на входе перепускного канала падает примерно до 2,2 бар, клапаны 10 усилием пружин 25 открываются, одновременно открываются впускные окна 5 и давлением воздуха от турбонагнетателя порядка 2,5 бар осуществляется продувка цилиндра 1. При закрытии перепускного клапана 13 в момент контакта с поршнем 12 плоский торец последнего и углубление (полость) 23 на тарелке клапана с уплотняющим выступом на периферии обеспечивают создание воздушной подушки, обеспечивающей мягкое, безударное соприкосновение поршня с тарелкой клапана, этому способствует коническая форма тарелки, обладающей свойствами упругой тарельчатой пружины. Одновременно с посадкой перепускного клапана на седло опирается на корпус дополнительная тарелка 28, ее полость 29 изолируется от полости 14 и соединяется через пазы 30 и трубопровод 31 с выпускным патрубком 11, давление в полости 29 уменьшается относительно давления в полости 14 в несколько раз, и поскольку диаметр тарелки 28 больше диаметра тарелки клапана 13, последняя удерживается в закрытом положении при давлении в полостях 14, 17 и 18 около 11 бар, обратный клапан 22 при этом закрыт. При встречном движении поршней 2 и 3 воздух в подпоршневых полостях расширяется и совершает полезную работу на вал двигателя. Вблизи верхней мертвой точки давление в полости 14 падает примерно до 3 бар, клапаны 13 пружинами 24 открываются, поршень 12 перемещается в обратном направлении до закрытия клапана 10, и цикл повторяется.

Действие двигателя без наддува, в частности карбюраторного, имеет некоторые особенности. Ход дополнительного поршня вправо совершается до создания разрежения на входе в перепускной канал, при этом соединение входа канала с выпускным патрубком 11 (фиг.4) устраняется обратным клапаном 32. В фазе разрежения на входе дополнительный поршень, движущийся по инерции с большой скоростью, обеспечивает всасывание смеси через окна 5 в полость цилиндра 1, а при обратном ходе дополнительного поршня продукты сгорания вытесняются через клапаны 10 в выпускной патрубок 11.

Работа двигателя с одним дополнительным поршнем сопровождается неуравновешенными осевыми силами и вибрацией. Этого недостатка нет у схемы с двумя дополнительными поршнями (фиг.2), при этом в два раза уменьшается ход каждого поршня, соответственно уменьшается инерционность их действия (время прямого и обратного ходов).

Поскольку ход дополнительных поршней и клапана 42 определяется давлением газа на входе в перепускной канал, действие их нетрудно синхронизировать подбором массы клапана и длины l цилиндра.

На режимах частичных нагрузок уменьшаются давление выпускных газов и кинематическая энергия дополнительных поршней, поэтому для сохранения хода до упора в перепускные клапаны нужно уменьшать начальное (минимальное) давление в полостях 38, 39 и 14, что достигается кинематической связью регулятора подачи топлива с приводом газового редуктора 20 или соединением этих полостей с впускным ресивером 6, давление наддува в котором уменьшается на частичных режимах. Возможно также оптимальное управление газовым редуктором с помощью бортового компьютера.

Перепуск малой части газа из полости 29 в выпускной патрубок 11 обеспечивает медленную смену объема газа в полости 14 (дренаж) и выпуск кратерных газов.

Технико-экономическая эффективность предложения обусловлена следующими факторами.

Предложение применимо к дизельным и карбюраторным двигателям с наддувом и без него, т.е. оно обеспечивает расширение области применения.

Устройство по сравнению с прототипом имеет меньше клапанов, газовых полостей и патрубков, проще по конструкции, имеет более высокую надежность, экономичнее вследствие уменьшения насосных потерь в клапанах.

Устройство снабжено элементами автоматического регулирования параметров рабочего тела в подпоршневых полостях, что обеспечивает расширение диапазона мощностных режимов работы двигателя.

Обеспечено многократное снижение расхода воздуха во вспомогательном подпоршневом тракте, уменьшаются габариты воздушных фильтров и запыление вспомогательного тракта.

Предложенные технические решения обеспечивают утилизацию энергии выпускных газов и снижение расхода топлива примерно нa 20%, что обеспечивает значительный экономический эффект.

Сущность изобретения: Предложены способ работы и двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с двумя оппозитными поршнями, рядами впускных и выпускных окон, перепускной канал, разделенный свободным дополнительным поршнем на вход, сообщающийся с выпускными окнами и выпускными клапанами, и на вход, соединенный перепускными клапанами с подпоршневыми полостями, минимальное давление в которых регулируется внешним источником сжатого газа. Предложение применимо к дизельным и карбюраторным двигателям, что обеспечивает утилизацию энергии давления выпускных газов, повышение эффективного КПД, упрощение конструкции и повышение надежности. 2 с.п. 9 з.п. ф-лы, 2 с., 4 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем продувки цилиндра воздухом, сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива, его сгорания, расширения продуктов сгорания, подачи отработавших газов на вход перепускного канала, их расширения и последующего выпуска, отличающийся тем, что, с целью улучшения эффективных показателей, одновременно с расширением отработавших газов на входе перепускного канала с его выхода перепускают сжатый газ в подпоршневые полости поршней, отсоединяют от выхода перепускного канала подпоршневые полости, расширяют в них сжатый газ и выпускают его на выход перепускного канала, причем минимальное давление сжатого газа в подпоршневых полостях регулируют в зависимости от цикловой подачи топлива. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, сообщенными с ресивером, выпускными окнами и размещенными в нем противоположно движущимися поршнями, перепускной канал с входом, сообщенным с выпускными окнами и соединенным через выпускные клапаны с выпускным патрубком и выходом, и регулятор цикловой подачи топлива, отличающийся тем, что, с целью улучшения эффективных показателей, он снабжен источником сжатого газа переменного давления, поршни снабжены подпоршневыми полостями, в перепускном канале размещен дополнительный поршень, выход перепускного канала соединен через тарельчатые перепускные клапаны, снабженные приводом, с подпоршневыми полостями, связанными с источником сжатого газа и ресивером. 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что дополнительный поршень выполнен с плоскими торцами, а тарелки выпускных и перепускных клапанов выполнены вогнутыми со стороны дополнительного поршня и сопряжены с его торцами в его крайних положениях. 4. Двигатель по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что он снабжен вторым дополнительным поршнем, расположенным в перепускном канале, снабженном вторым выходом, а выпускные клапаны расположены в средней части перепускного канала. 5. Двигатель по пп. 2 - 4, отличающийся тем, что тарелка каждого выпускного клапана снабжена штоком, выполненным в виде поршня, сопряженного со стенками выпукскного патрубка. 6. Двигатель по пп. 2 - 5, отличающийся тем, что каждый перепускной клапан снабжен дополнительной тарелкой большего диаметра, чем основная тарелка, и цилиндрическим золотником с каналами, сообщающими полость под дополнительной тарелкой с выпускным патрубком. 7. Двигатель по пп. 2 - 6, отличающийся тем, что в выпускном патрубке установлены обратные клапаны. 8. Двигатель по пп. 2 - 7, отличающийся тем, что он снабжен газовым редуктором с приводом и дополнительными обратными клапанами, а подпоршневые полости сообщены с источником сжатого газа через газовый редуктор и дополнительные обратные клапаны. 9. Двигатель по пп. 2 - 8, отличающийся тем, что он снабжен дроссельным каналом, посредством которого подпоршневые полости сообщены с ресивером. 10. Двигатель по п.8, отличающийся тем, что привод газового редуктора кинематически связан с регулятором цикловой подачи топлива. 11. Двигатель по пп. 2 - 9, отличающийся тем, что он снабжен бортовым компонентом, связанным с приводом газового редуктора.