СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B19/02 

Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к двигателям с камерами, периодически отсоединяемыми от цилиндров.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, наполнения камеры сгорания, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединения камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость (см. а.с. N 1252517, М.кл. F 02 B 19/04, 21/02 от 21.01.85).

В данном двигателе отсоединение камеры сгорания от воздушной камеры происходит цилиндрическим выпуском поршня. Перепуск горящих газов из камеры сгорания в надпоршневую полость и воздушную камеру с их закруткой вокруг оси цилиндра осуществляют сжатым воздухом воздушной камеры, а горящие газы перепускают из камеры сгорания во вращающейся в надпоршневой полости воздушный поток.

Поскольку по известному способу отсоединение камеры сгорания от воздушной камеры осуществляют цилиндрическим выступом поршня, энергия газов подводится к полной поверхности поршня с задержкой, определяемой временем перекрытия выступом поршня канала, связывающего камеру сгорания с надпоршневой полостью, т.е. энергия отработанных газов срабатывает не на всем такте расширения и, следовательно, происходит снижение эффективности срабатывания полученной энергии сгорания, что ухудшает экономичность двигателя.

Создание способа работы двигателя, обеспечивающего наиболее полное сгорание различных видов топлива (бензин, дизельное топливо, газ) и наиболее эффективное срабатывание полученной энергии за счет подвода этой энергии в начале такта расширения является важной задачей при проектировании двигателей более экономичных и менее токсичных.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, наполнения камеры сгорания, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость, подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости осуществляют не ранее чем через 80^o поворота коленчатого вала после ее отсоединения.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания может быть осуществлен на различных топливах (бензин, дизельное топливо, газ) вследствие того, что процесс сгорания протекает в течение периода времени, определяемого поворотом коленчатого вала не менее чем на 80^o, т.е. процесс сгорания более продолжителен и протекает при более высоких температурах и давлениях в замкнутом объеме, позволяющем сжечь полностью различное топливо и подвести эту энергию к поршню в начале такта расширения, обеспечивая эффективное срабатывание этой энергии, повышая экономичность двигателя.

Предложенный способ работы двигателя внутреннего сгорания позволяет получить полное сгорание топлива при малых коэффициентах избытка воздуха за счет продолжительности сгорания, высоких температуры и давления в камере. Возможность сжигания топлива при малых коэффициентах избытка воздуха позволяет получить низкую токсичность по окислам азота. При истечении газов из камеры сгорания на такте расширения в надпоршневую полость будет происходить дожигание газов при смешивании со свежим зарядом, что приведет к снижению токсичности и дымности. Из данных моторных исследований и опыта доводочных испытаний и работ по созданию рабочих процессов дизелей известно, что продолжительность сгорания в ДВС при различных способах организации рабочего процесса составляет 60-80^o поворота коленчатого вала. Таким образом, можно констатировать, что 80^o поворота коленчатого вала является достаточной продолжительностью для сгорания топлива в замкнутом объеме. Поворот коленчатого вала на 80^o признак, позволяющий реализовать процесс на многоцилиндровом двигателе (фиг. 4-6). Смещение фаз рабочего процесса такого двигателя между последовательно работающими цилиндрами составляет 90^o поворота коленчатого вала. При создании 6-8 и т.д. цилиндровых двигателей при задании смещения фаз менее 90^o поворота коленчатого вала имеется по крайней мере одна проблема (не считая уравновешивания и т.п.) реализация такого запирающего устройства, которое бы позволяло надежно отсоединять и подсоединять камеру к цилиндру за очень короткий промежуток времени, оставляющий еще возможность для процесса сгорания. Таким образом, использование двигателя со смещением фаз между цилиндрами менее, чем 90^o нецелесообразно. Наполнение камеры должно завершаться в области высшей мертвой точки (ВМТ) в конце процесса сгорания. Подсоединение камеры к цилиндру должно осуществляться также в области ВМТ в начале такта расширения. Исходя из того, что минимально смещение фаз между цилиндрами 90^o и с учетом возможного перекрытия фаз клапанов, реальная продолжительность отсоединения камеры от цилиндра составляет не менее 80^o. Уменьшение продолжительности отсоединения камеры от цилиндра менее 80^o (например, 70^o) приведет либо к запаздыванию фазы отсоединения от цилиндра, что приведет к потере на такте расширения, либо к более раннему открытию, что, в свою очередь, приведет к увеличению отрицательной работы на такте сжатия, и к уменьшению полезной работы двигателя.

Сущность предложенного способа можно проследить на устройствах, представленных на чертежах, где на: фиг.1 изображена схема двухтактного одноцилиндрового двигателя внутреннего сгорания со встречным движением поршней; фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 график мгновенных давлений в цилиндре и в камерах сгорания; фиг. 4 изображена схема двухтактного четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с отставанием фаз цилиндров последующего от предыдущего на 90^o поворота коленчатого вала; фиг. 5 - сечение Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 сечение В-В на фиг. 4.

Двухтактный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания со встречным ходом поршней состоит из цилиндра 1 с поршнями 2 и камерами 3 и 4 сгорания с клапанами 5 и 6.

Двухтактный четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндров 7, 8, 9 и 10, имеющих впускные 11, 12, 13 и 14 и выпускные 15, 16, 17 и 18 клапаны. Цилиндры 7, 8, 9 и 10 связаны последовательно между собой камерами 19, 20, 21 и 22 сгорания, которые в свою очередь соединены с надпоршневой полостью соответствующих цилиндров каналами, перекрываемыми клапанами 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 и 30. Цилиндры 7, 8, 9 и 10 имеют поршни 31.

Cпособ осуществляют следующим образом. При движении поршней 2 к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие свежего заряда в цилиндре 1 и наполнение через открытый клапан 5 камеры 3 сгорания. При достижении ВМТ клапаном 5 отсоединяют камеру 3 сгорания от надпоршневой полости цилиндра 1. В камере 3 начинается процесс сгорания. В это время клапаном 6 подсоединяют камеру 4 сгорания к надпоршневой полости цилиндра 1, в которой процесс сгорания уже закончился. Газы, выходящие из камеры 4 сгорания, совершают работу расширения в цилиндре 1 при движении поршней 2 к нижней мертвой точке (НМТ). При достижении поршнями 2 НМТ открываются продувочные окна (на чертеже не показаны) и совершается процесс газообмена. Далее поршни 2 движутся к ВМТ, совершая процесс сжатия в цилиндре 1 и наполнение камеры 4 сгорания. При достижении поршнями 2 ВМТ происходит отсоединение клапаном 6 камеры 4 сгорания, в которой начинается процесс сгорания. Клапаном 5 происходит подсоединение камеры 3 сгорания, в которой процесс сгорания, протекавший в течение двух тактов двигателя (при повороте коленчатого вала на 360^o) уже завершился. График мгновенных давлений газов характеризует работу двигателя за четыре такта (фиг. 3), где сплошной линией показано давление газов в цилиндре 1, штрихпунктирной линией давление газов в камере 3 сгорания, а пунктирной линией давление газов в камере 4 сгорания. Такая продолжительность процесса сгорания при нарастании температуры и давления в замкнутом объеме камеры сгорания приводит к более полному выгоранию топлива; подводя полученную энергию в начале такта расширения, обеспечивается эффективность срабатывания этой энергии, повышается экономичность двигателя.

При движении поршня 31 цилиндра 7 к ВМТ происходит сжатие свежего заряда в цилиндре 7 и наполнение камеры 19 сгорания через открытый клапан 23. Клапан 24 при этом закрыт. При достижении поршня 31 цилиндра 7 ВМТ происходит закрытие клапана 23 и воспламенение смеси в камере 19 сгорания. К этому моменту в камере 22 процесс сгорания уже завершился. Открывается клапан 30 и отработавшие газы поступают в надпоршневую полость цилиндра 7, где совершают работу расширения при движении поршня 31 цилиндра 7 от ВМТ к НМТ и догаром при смешивании с остатками свежего заряда цилиндра 7. Поскольку цилиндр 8 отстает по фазе от цилиндра 7 на 90^o процесс сгорания в камере 19 длится до перемещения поршня 31 цилиндра 8 к ВМТ, т.е. с учетом запаздывания отсоединения камеры 19 от цилиндра 7 клапаном 23 и опережения подсоединения камеры 19 к надпоршневой полости цилиндра 8 клапаном 24. Подсоединение камеры 19 сгорания к надпоршневой полости цилиндра 8 осуществляют не менее чем через 80^o поворота коленчатого вала после отсоединения камеры 19 сгорания от надпоршневой полости цилиндра 7. Достаточно продолжительный процесс сгорания при высоких температуре и давлении приводит к более полному выгоранию топлива. При достижении поршня 31 цилиндра 8 ВМТ клапан 25 закрывает наполняемую камеру 20, а клапан 24 открывает, соединяя камеру 19 с надпоршневой полостью цилиндра 8. Далее в цилиндре 8 начинается процесс расширения, аналогичный процессу, описанному в цилиндре 7. Одновременно с началом процесса расширения в цилиндре 8 процесс расширения в цилиндре 7 еще продолжается до перемещения поршня 31 цилиндра 7 к НМТ. Открываются клапаны впускной 11 и выпускной 15 цилиндра 7, совершая процесс газообмена. Клапаны 11, 15 и 30 закрываются. Итак, описан полностью процесс в цилиндре 7 и показана взаимосвязь его работы с другими цилиндрами. Процессы в остальных цилиндрах аналогичны описанному.

Процесс, описанный по фиг. 4-6 отличается от процесса, описанного по фиг. 1-3 тем, что подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости цилиндра происходит не ранее чем через 80^o поворота коленчатого вала. Такая продолжительность процесса сгорания при нарастании температуры и давления в замкнутом объеме камеры сгорания приводит к более полному выгоранию топлива,
а подвода полученную энергию в начале такта расширения, обеспечивается эффективность срабатывания этой энергии, повышается экономичность двигателя. Процесс, описанный по фиг. 4-6, имеет меньшие потери тепла в камере сгорания.

Использование: в двигателестроении, в частности в двигателях внутреннего сгорания путем впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединения камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость, причем подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости осуществляют не ранее чем через 80 град. поворота коленчатого вала после ее отсоединения. 6 ил.

Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем впуска свежего заряда в надпоршневую полость цилиндра, сжатия свежего заряда с одновременным перепуском в камеру сгорания, отсоединения последней от надпоршневой полости, воспламенения топливовоздушной смеси, подсоединения камеры сгорания к надпоршневой полости, перепуска газов из камеры сгорания в надпоршневую полость, отличающийся тем, что подсоединение камеры сгорания к надпоршневой полости осуществляют не ранее чем через 80^o поворота коленчатого вала после ее отсоединения.