ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК F02B53/00 F02G1/02 

Изобретение относится к области силовых установок, работающих на горючих газах или продуктах сгорания, а более конкретно к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия, с разделенным термодинамическим циклом, когда сжатие заряда и сгорание топлива происходит в импульсной камере постоянного объема, а расширение продуктов сгорания в рабочих камерах расширительной машины. Оно может быть использовано, например, в легковых автомобилях, работающих на дизельном и альтернативных топливах, в условиях высокой частоты вращения.

Известны двигатели с разделенным термодинамическим циклом: например, по авт. св. СССР N 828780. В этих двигателях компрессор и расширительная машина выполнены в виде поршневых машин, что делает силовую установку громоздкой и тяжелой.

Наиболее близким по количеству сходных признаков с заявленным устройством является двигатель, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, которые образуют камеры переменного объема, вал двигателя, впускной и выпускной тракты, устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя [1]
Недостатком известного ДВС является то, что он выполнен по традиционной схеме с совмещенным термодинамическим циклом; это не позволяет полностью реализовать преимущества, которые предоставляет использование в ДВС различных типов машин поршневых и роторных и разделенного термодинамического цикла.

Задачей данного изобретения является улучшение термодинамического цикла и снижение массо-габаритных показателей ДВС за счет использования разных типов машин поршневой и роторной для реализации циклов сжатия и расширения, соответственно. В этом случае применение поршневой машины для реализации цикла сжатия позволяет получить экономичный термодинамический цикл, а использование роторной машины для реализации цикла расширения снизить массо-габаритные показатели силовой установки.

Для решения указанной задачи предлагаемый ДВС в дополнение к выше перечисленным существенным признакам, сходным с признаками прототипа, снабжен механизмом повышения тормозного момента двигателя, двухцилиндровым компрессором с поршнями и, по меньшей мере, парой впускных клапанов на каждый цилиндр, имеющих изолированные надклапанные полости, при этом золотники выполнены в виде полых цилиндров и кинематически соединены с валом двигателя при помощи общего вала золотников, камеры сгорания расположены в полостях золотников, ротор образует с внутренней полостью корпуса, по меньшей мере, одну расширительную и одну наддувочную камеры переменного объема, наддувочная камера сообщена через каналы с полостью цилиндра компрессора и впускным трактом, образуя агрегат наддува, а механизм повышения тормозного момента двигателя выполнен в виде устройства, регулирующего угловое смещение между общим валом золотников и валом двигателя с возможностью регулирования воздухообмена камер сгорания.

В частном случае реализации ДВС предлагается схема, в которой ротор образует с внутренней полостью корпуса четыре камеры переменного объема, из которых две используются как расширительные и две как наддувочные, при этом внутренняя полость корпуса выполнена по внешней огибающей с четырьмя вершинами, а ротор по эпитрохоиде с тремя ветвями; впускной тракт агрегата наддува снабжен обратным клапаном и регулирующей заслонкой, при этом наддувочная камера сообщена с полостью цилиндра через надклапанную полость цилиндра компрессора; механизм повышения тормозного момента двигателя установлен между общим валом золотников и валом двигателя.

На фиг. 1 изображен нижний блок двигателя (со снятым верхним блоком); на фиг. 2-7 положение золотника камеры сгорания в процессе термодинамического цикла; на фиг. 8 приведен узел наддува; на фиг. 9 кинематическая схема повышения тормозного двигателя; на фиг. 10 механизм регулирования фаз; на фиг. 11 положение золотника в процессе торможения.

Расширительная машина состоит из корпуса 1, выполненного как единое целое с цилиндрами компрессора 2. Контур рабочей полости расширительной машины образуется внешней огибающей, а контур ротора эпитрохоидой. Число вершин рабочей полости равно четырем. В результате этого ротор 3 образует с контуром рабочей полости четыре камеры. Из четырех камер две рабочие 4 и две наддувочные 5. Выпуск отработавших газов осуществляется через торцевое выпускное окно 6. Частота вращения эксцентрикового вала и выходного вала двигателя в четыре раза больше частоты вращения ротора. При этом эксцентриковый вал и ротор вращаются в противоположных направлениях (показано стрелками на фиг. 1). Частота вращения золотника 7 в два раза меньше частоты вращения выходного вала двигателя (передаточное отношение механизма привода распредвала равно 1:2). Для перетекания воздуха в процесс сжатия из цилиндра компрессора в камеру сгорания служат каналы 8 и 9 (см. фиг. 1 и 2), а для перетекания продуктов сгорания в рабочую камеру каналы 10 и 11 (фиг. 1 и 3). В золотнике выполнены два канала 9 и два канала 11, смещенные друг относительно друга на 180^o. На фиг. 1 канал 11 не показан.

Узел наддува (см. фиг.8) содержит наддувочный канал 12 (см. также фиг. 1), впускной канал 13, обратный клапан 14, выполненный по типу прямоточных клапанов традиционных компрессоров, и регулирующую заслонку 15. На фиг. 8 приведены следующие обозначения: 16 клапан компрессора, 17 надклапанная полость. Вторая надклапанная полость с клапаном ничем не отличается от традиционных ДВС и на фиг. 8 не показана.

На кинематической схеме (фиг. 9) повышения тормозного эффекта двигателя приведены следующие обозначения: 18 ведомый распредвал (общий вал) золотников камер сгорания; 19 ведущий распредвал; 20 звездочка приводного механизма, связанная через цепную передачу с выходным валом двигателя (передаточное отношение звездочки выходного вала к звездочке 20 равно 1:2); 21 механизм регулирования сдвига по фазе между валами 18 и 19. Известны множество механизмов для регулирования сдвига по фазе между валами. Один из таких механизмов приведен на фиг. 10. Основным элементом механизма является шестеренная дифференциальная передача, ведущее зубчатое колесо 22 которой установлено на валу 19. Зубчатое колесо 22 находится в зацеплении с парой конических зубчатых колес 23 и 24, свободно вращающихся на валах 25 и 26, смонтированных в корпусе 27. Зубчатое колесо 28 установлено на валу 19. Заодно с корпусом 27, который может свободно вращаться относительно валов 18 и 19, выполнено коническое зубчатое колесо 29, находящееся в зацеплении с коническим зубчатым колесом 30 управляющего вала 31. На фиг. 9 показаны также зубчатые передачи 32 с передаточным отношением 1:1 и золотники камер сгорания 33.

Двигатель работает следующим образом.

На фиг. 1 ротор находится в положении "мертвой" точки. Это положение ротора повторяется через каждый 45^o поворота. В золотнике камеры сгорания за полный оборот (полный оборот выходного вала двигателя и вала компрессора) происходит два такта сжатия и два такта сгорания топлива и расширения продуктов сгорания. На фиг. 2-7 показаны положения золотника в период термодинамического цикла:
на фиг. 2 и 3 начало сжатия;
на фиг. 4 и 5 положение поршня в в.м.т и начало впрыска топлива;
на фиг. 6 и 7 начало расширения.

На фиг. 2 показано положение золотника 7 в начале открытия канала 8. Канал 10 в этом положении закрыт (см. фиг. 3). Если принять угол α соответствующий длине сегмента канала 8, равный 20^o, и угол b равный также 20^o, то период, при котором канал 8 будет открыт, составит: a++ β 20^o + 20^o 40^o (конец сжатия). Поршень компрессора находится в этот момент в положении в.м. т. В конце сжатия канал 8 будет перекрыт (фиг. 4). Таким образом, период сжатия воздуха в камере сгорания, в нашем случае, соответствует 40^o поворота золотника. В этот момент начинается впрыск топлива, воспламенение его и сгорание. Положительная работа совершается за счет перетекания продуктов сгорания в рабочую камеру 4 при открытии канала 10 и последующего их расширения. Выпускные окна 6 расположены таким образом, чтобы начало открытия этих окон происходило на такте расширения по аналогии с поршневыми ДВС: предварение открытия клапанов примерно через 2/3 хода поршня от в.м.т. В нашем случае после поворота ротора на угол: (45^ox2)/3=30^o. Открытие канала 10 должно начинаться при положении ротора в "мертвой" точке, либо с некоторым опережением. Выходной вал повернется за этот период на угол, равный 30^oх4 120^o, а золотник камеры сгорания на угол q 120^o/2 60^o. Таким образом, период такта сжатия и расширения составят: 40^o + 60^o 100^o поворота золотника. Так как такты сжатия, сгорания и расширения в камере сгорания происходят в течение 180^o поворота золотника, то в этом случае впрыск топлива и его сгорание будут происходить в течение: g 180^o 100^o 80^o поворота золотника (160^o поворота выходного вала). Если принять угол v 30^o (фиг. 3), тогда угол n (фиг. 3,5,7) будет равен: n = θ - Φ 60^o 30^o 30^o. Период впрыска и сгорания топлива, соответствующий углу g 80^o будет, очевидно, слишком велик. Оптимальное значение этого угла должно быть определено экспериментально. С уменьшением угла g может быть увеличен угол n, т.е. увеличен период расширения в камере сгорания за цикл. В этом случае давление в камере сгорания в конце расширения снизится и, соответственно, снизится необходимое подпорное давление в цилиндре компрессора.

Рассмотрим процесс наддува в одном цилиндре компрессора. При движении поршня от в. м.т. начинается открытие клапанов и происходит выброс воздуха сжатого в "мертвых" зонах цилиндра в надклапанные полости. При дальнейшем движении поршня начинается впуск воздуха через обе надклапанные полости, а затем на некотором участке пути поршня начинается наддув через полость, оборудованную узлом наддува. Впуск воздуха в наддувочную камеру 5 происходит через впускной канал 13, оборудованный воздушным фильтром, обратный клапан 14 и наддувочный канал 18. Клапан компрессора 16 при этом закрыт. Поршень ротора в рабочей камере (нижняя левая на фиг. 1) находится в положении начала расширения, а в наддувочной камере (нижняя правая) в положении 22,5^o от "мертвой" точки и движется в направлении нагнетания воздуха. Если принять g 50^o (см. выше), то можно сделать вывод, что поршень компрессора находится в данный момент в положении, соответствующем 100^o поворота выходного вала от в. м. т. Отсюда следует, что в начале наддува поршень компрессора будет находиться в положении: 100^o 22,5^o х 4 10^o поворота выходного вала от в.м.т. а в конце наддува 10^o после н.м.т. Воздух в наддувочную камеру и в наддувочный канал поступает и после "мертвой" точки, т.е. при движении поршня ротора в направлении нагнетания воздуха (за счет инерции). В связи с этим нагнетание воздуха через канал 12 начинается с запаздыванием и поэтому наддув будет начинаться после прохождения поршнем компрессора некоторого дополнительного пути от в.м.т.

В процессе нагнетания воздух с большой скоростью, зависящей от соотношения размеров наддувочной камеры и наддувочного канала, поступает в виде струи в надклапанную полость 17 узла наддува. При этом, скоростной напор при переходе струи воздуха из меньшего объема в больший преобразуется в статистическое давление, превышающее давление в цилиндре. В результате этого происходит динамический наддув. В дальнейшем такты наддува (впуск и нагнетание) повторяются. С помощью заслонки 15, установленной во впускном канале узла наддува, осуществляется регулирование степени наддува в зависимости от режима работы двигателя, в результате чего улучшаются его экономические показатели.

Торможение двигателем осуществляется следующим образом. На фиг. 2 показан момент открытия канала 8, т.е. начало сжатия воздуха в камере сгорания. Поршень компрессора при этом находится в промежуточном положении. На фиг. 4 показано положение золотника в конце сжатия, при котором канал 8 снова перекрыт, а поршень находится в в.м.т.

Если осуществить некоторое запаздывание золотника при его вращении, т.е. если канал 8 будет перекрываться, например, таким образом, чтобы при положении поршня в в.м.т. канал находился бы в положении, показанном на фиг. 11, то в результате этого сжатие воздуха поршнем будет происходить при закрытом канале 8. При этом объем камеры сжатия будет равен объему "мертвых" зон цилиндров (надпоршневой и другие зазоры). В промежуточных положениях золотников воздух будет в процессе сжатия частично перетекать в камеру сгорания и частично сжиматься в надпоршневой полости. Таким образом, изменяя угол запаздывания можно регулировать тормозную мощность двигателя. Регулирование угла запаздывания можно осуществлять путем изменения углового положения управляющего вала 31 механизма регулирования фаз 15 (фиг. 9 и 10). В результате этого изменяется взаимное расположение валов 18 и 19 и, соответственно, фазы открытия канала 8 в процессе торможения. Поворот вала можно осуществлять дистанционно с помощью механической или гидравлической передачи.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания (ДВС) содержит однороторную расширительную машину, два цилиндра с поршнями и клапанами, выполняющими функцию компрессора, и камеру сгорания, размещенную во вращающихся золотниках. Контур рабочей полости расширительной машины образуется внешней огибающей с четырьмя вершинами, а контур ротора - эпитрохоидой, образуя четыре камеры переменного объема (две расширительные и две наддувочные). Каждый цилиндр имеет две изолированные друг от друга надклапанные полости, одна из которых связана с впускным трактом, снабженным обратным клапаном и заслонкой. Двигатель снабжен механизмом повышения тормозного момента. 3 з.п.ф-лы, 11 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий полый корпус с размещенным в нем ротором, образующие камеры переменного объема, вал двигателя, впускной и выпускной тракты, устройство регулирования газообмена, выполненное в виде двух вращающихся золотников, кинематически связанных с валом двигателя, отличающийся тем, что он снабжен механизмом повышения тормозного момента двигателя, двухцилиндровым компрессором с поршнями и по меньшей мере парой впускных клапанов на каждый цилиндр, имеющих изолированные надклапанные полости, при этом золотники выполнены в виде полых цилиндров и кинематически соединены с валом двигателя при помощи общего вала золотников, камеры сгорания расположены в полостях золотников, ротор образует с внутренней полостью корпуса по меньшей мере одну расширительную и одну наддувочную камеры переменного объема, наддувочная камера сообщена через каналы с полостью цилиндра компрессора и впускным трактом, образуя агрегат наддува, а механизм повышения тормозного момента двигателя выполнен в виде устройства, регулирующего угловое смещение между общим валом золотников и валом двигателя с возможностью регулирования воздухообмена камер сгорания. 2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что ротор образует с внутренней полостью корпуса четыре камеры переменного объема, из которых две используются как расширительные и две как наддувочные, при этом внутренняя полость корпуса выполнена по внешней сгибающей с четырьмя вершинами, а ротор по эпитрохоиде с тремя ветвями. 3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что впускной тракт агрегата наддува снабжен обратным клапаном и регулирующей заслонкой, при этом наддувочная камера сообщена с полостью цилиндра через надклапанную полость цилиндра компрессора. 4. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что механизм повышения тормозного момента двигателя установлен между общим валом золотников и валом двигателя.