СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B27/00 F02B33/02 

Изобретение относится к машиностроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания ДВС.

Известен классический способ работы двухтактного ДВС с внешним смесеобразованием (Автомобильные и тракторные двигатели М. Высшая школа, 1969, с. 65-66), осуществляемый впуском горючей смеси и ее предварительным сжатием в компрессионном подпоршневом объеме, перепускном в рабочий надпоршневой объем с его продувкой, окончательным сжатием, нагреванием за счет сгорания и расширением продуктов сгорания с отбором механической энергии в рабочем объеме, а также выхлопом отработавших газов из рабочего объема. Данный способ позволяет поднять литровую мощность сравнительно со способом четырехтактного ДВС путем сокращения числа тактов на цикл с 4-х до 2-х.

Недостаток способа низкая топливная экономичность, являющаяся следствием содержания в продувочных потерях горючей смеси значительного количества неиспользуемого топлива.

Известен способ работы двухтактного ДВС с внешним смесеобразованием [1] включающий дополнительную операцию нагнетания чистого воздуха в перепускные каналы в конце впуска смеси. При перепуске в рабочий объем сначала поступает чистый воздух из перепускных каналов, а затем горючая смесь. При такой последовательности продувочные потери состоят в основном из чистого воздуха, благодаря чему прямые потери топлива сокращаются.

Однако способ требует значительных конструктивных усложнений, а прямые потери топлива остаются существенными.

Ближайшим аналогом (прототипом) изобретения является способ работы двухтактного ДВС с внутренним смесеобразованием [2] включающий операции впуска, предварительного сжатия, перепуска с продувкой, окончательного сжатия, нагревания за счет сгорания, расширения с отбором механической энергии и выхлопа.

Однако в первых трех операциях применяют чистый воздух, благодаря чему прямые продувочные потери топлива полностью исключаются. Необходимое смесеобразование организуют после продувки и перепуска в процессе окончательного сжатия путем впрыска топлива в рабочий объем под давлением. Такой способ осуществим как в варианте с электроискровым зажиганием (бензиновый цикл), так и в варианте с самовоспламенением (дизельный цикл).

Однако прототипу, как и всем другим известным аналогам свойственны дополнительные общие недостатки, связанные с поршневым управлением перепуска и продувки. Такое управление делает фазу перепуска строго симметричной относительно нижней мертвой точки (НМТ) поршня, отсекающего рабочий объем в цилиндре. Фаза перепуска, длящаяся от 90 до 110^о поворота коленчатого вала двигателя, должна начинаться, следовательно, за 45-55^о до НМТ. Чтобы снизить давление газов в рабочем объеме перед перепуском, возникает необходимость организовать выхлоп еще раньше за 60-70^о до НМТ. Следовательно, к моменту перевыхлопа значение рабочего объема составляет от 0,73 до 0,79 максимального (геометрического) значения. Дальнейшее его увеличение уже не связано с работой расширения нагретых газов, так как они уходят в выхлоп. Но это равносильно потере литража на 21-27% На тот же процент падает и литровая мощность двигателя.

Из-за большого значения продуваемого рабочего объема газовые потери продувки не удается сделать меньшими 25% Это равносильно уменьшению цикловой теплоты сгорания и литровой мощности дополнительно на 25% В результате литровая мощность возрастает не в 2 раза, как следует из соотношения тактностей, а всего лишь в 1,1-1,2 раза сравнительно со способом четырехтактного ДВС.

Место потерь в рабочем объеме занимают остаточные продукты сгорания. При повторении циклов они образуют около 25% своей рециркуляции, значительно ухудшающей состав горючей смеси. Из-за этого снижается скорость и полнота ее сгорания, что ведет к снижению быстроходности и КПД, а также к повышению концентрации не прогоревших фракций топлива и его активных радикалов. Экологический вред выхлопа при этом значительно возрастает.

Технической задачей изобретения является повышение мощностных и экономических показателей, а также снижение вредности выхлопа.

Это достигается тем, что в способе работы двухтактного ДВС, осуществляемом впуском и предварительным сжатием рабочего тела, его перепуском в рабочий переменный объем с продувкой последнего, окончательным сжатием, нагреванием за счет сгорания и расширением рабочего тела с отбором механической энергии в рабочем объеме, а также выхлопом отработавшего тела из рабочего объема, начало выхлопа совмещают с моментом максимального значения рабочего объема, а начало перепуска и продувки осуществляют через 50-160^о поворота коленчатого вала после первого момента.

Первый отличительный признак дает полное использование рабочего объема при расширении, что повышает литровую мощность на 21-27% Второй признак увеличивает длительность предвыхлопа, что уменьшает количество продуктов сгорания перед продувкой. В совокупности признаки дают уменьшение продуваемого объема и увеличение давления предсжатия. Это увеличивает скорости и качество продувки и снижает рециркуляцию продуктов сгорания. В силу последнего улучшается весовое наполнение рабочего объема свежим зарядом, а также возрастает скорость и полнота сгорания. Это ведет к увеличению быстроходности и КПД двигателя, т. е. мощность двигателя дополнительно возрастает, а топливный расход падает. Более полное сгорание уменьшает концентрацию непрогоревшего топлива и его активных соединений, что уменьшает токсичность и экологический вред выхлопа.

На фиг. 1 дан двухцилиндровый двигатель для осуществления способа с одной газодинамической системой; на фиг. 2 двухцилиндровый двигатель с задействованными подпоршневыми объемами и двумя газодинамическими системами; на фиг. 3 схема двигателя по фиг. 2 в проекции "вид с верху" на цилиндры; на фиг. 4 однорядный многоцилиндровый двигатель; на фиг. 5 двухрядный многоцилиндровый двигатель; на фиг. 6 двигатель с крестообразной компоновкой цилиндров ("четырехконечная звезда").

Двигатель содержит первый компрессионный переменный объем 1 газодинамической системы двигателя, второй рабочий переменный объем 2 системы, перепускной канал 3 системы, управляемый затвор 4 перепускного канала, поршень 5 первого объема системы, цилиндр 6 первого объема системы, поршень 7 второго рабочего объема системы, цилиндр 8 второго рабочего объема системы, впускной патрубок 9, впускной клапан 10, выхлопной патрубок 11, выхлопной клапан 12.

Способ осуществляют следующим образом. Объемы системы 1 и 2 изменяют перемещением поршней 5 и 7 в цилиндрах 6 и 8. При этом перемещение поршня 5 устанавливают с опережением поршня 7 на угол Φ_o, который может быть выбран в пределах от 0 до 90^о поворота коленчатого вала. При движении поршней вниз происходит впуск воздуха через патрубок 9 в расширяющийся объем 1 открытием впускного клапана 10 при закрытом затворе 4. Параллельно в объеме 2 организуют расширение горячих газов с передачей механической энергии расширения через поршень 7 на вал двигателя.

Процесс впуска заканчивают в момент НМТ поршня 5 закрытием впускного клапана 10 (с небольшим запаздыванием на инерционный наддув). При последующем поднятии поршня 5 начинают процесс предварительного сжатия впущенного воздуха в объеме.

При подходе поршня 7 к НМТ открывают выхлопной клапан 12, чем организуют предвыхлоп, имеющий в начале характер сверхзвукового истечения отработавших газов из объема 2 через выхлопной патрубок 11. При этом давление газов в объеме 2 резко падает. При дальнейшем подъеме поршня 7 предвыхлоп переходит в плановое поршневое вытеснение выхлопных газов, как в четырехтактном двигателе.

Через угол Φ₁ после начала предвыхлопа открывают затвор 4, чем организуют начало перепуска предсжатого воздуха объема 1 в объем 2. Значение Φ₁ в зависимости от значения Φ_o можно установить в пределах от 50 до 160^о. Истечение перепускаемого воздуха из канала 3 образует продувку объема 2, которая довытесняет остатки выхлопного газа за счет заполнения объема воздухом при давлении, близком к атмосферному. Из-за повышенного давления в объеме 1 и малого значения продуваемого объема 2 продувка протекает быстрее и эффективней, чем в прототипе. Продувку заканчивают закрытием выхлопного клапана 12.

После этого давление в объеме 2 резко возрастает из-за продолжающегося процесса перепуска, который закачивают в момент ВМТ поршня 5 закрытием затвора 4. Этим сообщают объему 2 более высокое наполнение воздухом, чем в прототипе, несмотря на уменьшенное значение заполняемого объема.

Окончательное сжатие воздуха в объеме 2 осуществляют дальнейшим подъемом поршня 7 до ВМТ. Впрыск топлива, смесеобразование, воспламенение и сгорание организуют одним из известных способов (по бензиновому или дизельному циклу). При дальнейшем опускании поршня 7 осуществляют новый такт расширения. Параллельно при опускании поршня 5 осуществляют новый такт впуска. Таким образом, за два такта поршней осуществляют полный газодинамический цикл с возможностью повторения, т. е. непрерывной работы.

Использование: машиностроение, а именно поршневые двигатели внутреннего сгорания. Сущность изобретения: с целью повышения мощности и экономических показателей, а также снижения вредности выхлопа, способ включает впуск, предварительное сжатие рабочего тела, его перепуск в рабочий переменный объем с продувом последнего, окончательным сжатием, нагреванием за счет сгорания и расширения рабочего тела, а также выхлопом отработавшего тела из рабочего объема, начало выхлопа совмещают с моментом максимального значения рабочего объема, а начало перепуска и продувки осуществляют через 50 - 160 ^o поворота коленчатого вала после первого момента. 6 ил.

СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, заключающийся во впуске и предварительном сжатии рабочего тела, его перепуске в рабочий переменный объем с продувкой последнего, окончательном сжатии, нагревании за счет сгорания и расширения рабочего тела с отбором механической энергии в рабочем объеме, а также выхлопе отработавшего тела из рабочего объема, отличающийся тем, что начало выхлопа совмещают с моментом максимального значения рабочего объема, а начало перепуска и продувки осуществляют через 50 - 100^o поворота коленчатого вала после первого момента.