СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B53/00 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к способам и устройствам газообмена двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен способ работы и устройство ДВС, когда после выпуска отработавших газов, создающих эжектированием зону пониженного давления и поддерживаемую активной средой (водяным паром), отсасывают остаточные газы из полости цилиндра (авт. св. СССР N 1377427, Мкл. F 02 B 35/00, 1983).

Недостатком этого способа является то, что отсос осуществляется после прекращения выпуска и энергии выхлопа не использована, а для поддержания зоны пониженного давления дополнительно необходима активная среда.

Недостатком устройства является наличие дополнительной системы для создания зоны пониженного давления, что усложняет в целом конструкцию ДВС.

Способ газообмена по (авт. св. N 1375844, Мкл. F 02 B 35/00, 1985) также теряет энергию выхлопного импульса, когда после такта расширения (в нижней мертвой точке НМТ) продукты сгорания свободно истекают и потому остаточные газы из полости цилиндра эжектируются с привлечением активной среды, в качестве которой используются газы, собранные в накопителе.

Недостатком данного устройства также является необходимость введения дополнительного устройства накопителя газов в системой обратных клапанов.

Наиболее близким решением, принятым за прототип (авт. св. СССР N 1698465, Мкл. F 02 B 27/00, 1989), является способ работы и устройство 4-х тактного 4-х цилиндрового ДВС, по которому выхлопные газы одного из цилиндров, проходя через активное сопло эжектора, создают разрежение в пассивных соплах каналов отсоса каждой ступени многоступенчатого эжектора при закрытых полостях цилиндров, а затем каналы отсоса сообщаются с полостью одного из цилиндров, работающего в это время в режиме всасывания, и происходит отсос остаточных газов. Орган перекрытия полости цилиндра от каналов отсоса остаточных газов представляет собой сложную систему, управляемую электромагнитами, работа которых определяется четырехконтактным коллектором, у которого вращающийся контакт приводится от вала отбора мощности двигателя с передачей 1:4.

Недостатком данного способа и устройства, реализующего способ, является сложность, связанная с необходимостью поддержания последовательности операций режима эжекции: выхлоп отработавших газов при закрытых окнах отсоса в цилиндрах; создание разрежения в каналах отсоса; сообщение полости всасывающего цилиндра с каналом отсоса; закрытие полости цилиндра от каналов отсоса; громоздкость и сложность системы, используемой в качестве органа перекрытия окна отсоса остаточных газов, которая не только не высвобождает мощность ДВС, а наоборот, использует часть мощности на работу этой системы, подключенной к валу отбора мощности; известное техническое решение применимо только в 4-цилиндровых 4-тактных ДВС.

Задача разработки простого способа газообмена в ДВС, применимо к различным типам ДВС, экономичного, использующего энергию выхлопа, а также разработка простого устройства, обеспечивающего применение такого способа, решается предложенным техническим решением.

Предложенный способ заключается в том, что отработавшие газы (продукты сгорания), находящиеся в рабочей камере под давлением в конце рабочего хода в режиме выхлопа, выбрасываются из полости в активное сопло эжектора, сообщенного пассивным соплом с окном отсоса остаточных газов предыдущей рабочей камеры, в которой происходит очистка полости от остаточных газов. Предыдущая камера в этот момент работает в режиме всасывания рабочей смеси.

Отличительными признаками способа являются: из пары взаимодействующих камер в предложенном способе работают две соседние камеры, последующая эжектирует остаточные газы предыдущей. Камеры являются соседними те, которые связаны между собой эжекторами, вступающие во взаимодействие в режиме эжекции, а не по порядку расположения камер, т.е. соседствующие по порядку работы, когда каждая предыдущая камера опережает последующую на одну стадию по степени завершенности рабочего цикла. Камера, работающая в режиме выхлопа, рабочий орган которой находится в конце рабочего хода, является последующей за камерой, которая в этот момент работает в режиме всасывания, рабочий орган которой находится в нижней мертвой точке; отсутствие стадии предварительного разрежения в каналах отсоса при закрытых полостях камер. Предложенное устройство заключается в том, что ДВС содержит камеру(ы) сгорания рабочий орган, перемещающийся в камере, выпускные окна с органами перекрытия, эжекторы (по меньшей мере один), активное сопло которого сообщается с выхлопным окном отработавших газов, а в качестве органа перекрытия используется рабочий орган, перемещаемый в камере.

Отличительными признаками устройства являются:
отсутствие дополнительного механизма в качестве органа перекрытия выпускных окон с сохранением его функций;
использование рабочего органа, перемещаемого в камере в качестве органа перекрытия. Это поршни в поршневых ДВС или лопастной ротор в роторных ДВС.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что выпускная система ДВС позволяет использовать диапазон режима работы ДВС путем согласования местонахождения выхлопных окон и окон отсоса остаточных газов с режимом работы ДВС. Это позволяет сделать вывод, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Для однозначности трактования термина "последующая" и "предыдущая" камеры приводим пояснение, что из двух соседних камер последующая отстает от предыдущей на один такт рабочего цикла. В рабочей камере (последующей), в которой полностью сгорело топливо, поршень находится в конце рабочего хода (режим выхлопа) и открывает выхлопное окно. Отработавшие газы, имеющие максимальную энергию выхлопа с большой скоростью выбрасываются через активное сопло эжектора и мгновенно отсасывают через пассивное сопло остаточные газы в предыдущей камере, в которой в это время поршень находится в нижней мертвой точке (режим всасывания) и открывает окно отсоса. Взаимодействие последующей рабочей камеры в режиме выхлопа отработавших газов и предыдущей, работающей в режиме всасывания а также использование поршня в качестве органа перекрытия позволили отказаться от механизма газораспределения с механическим приводом и обеспечили режим аутоочистки ДВС от продуктов сгорания. Способ и устройство отличаются исключительной простотой и надежностью и применимы к различным типам ДВС (двухтактным, четырехтактным, с различным количеством цилиндров, роторным, роторно-поршневым).

Экономичность предложенного решения образуется за счет:
использования энергии выхлопного импульса и ликвидации энергозатрат на работу механизма газораспределения;
более эффективного использования рабочего цикла (за один оборот коленчатого вала, например, количество рабочих ходов будет равно количеству цилиндров, или за один оборот ротора количество рабочих ходов будет равно количеству лопастей на роторе).

На фиг. 1 приводится звездообразный ДВС; на фиг.2 роторнопоршневой ДВС; на фиг.3 роторный с жидкостным кольцом; на фиг.4 однорядный 6-ти цилиндровый ДВС.

На фиг. 1 представлена схема двух соседних цилиндров 1 и 2 звездообразного двигателя, в которых находятся поршни 3 и 4. Между цилиндрами расположен эжектор, активное сопло 5 которого сообщается с выхлопным окном 6 цилиндра 2, а пассивное сопло 7 сообщается с окном отсоса 8 остаточных газов цилиндра 1; 9,10 окна всасывания цилиндров 1 и 2; 11 окно отсоса остаточных газов цилиндра 2.

Двигатель работает следующим образом.

Поршень 3 цилиндра 1 находится в НМТ, открыв окно отсоса 8 и окно всасывания топлива 9. Поршень цилиндра 2 подходит к НМТ (конец рабочего хода), открывая выхлопное окно 6 при закрытых окнах всасывания 10 и отсоса остаточных газов 11. Отработавшие газы из цилиндра 2 с большой скоростью истекают через активное сопло 5 эжектора и отсасывают остаточные газы из полости цилиндра 1. В дальнейшем вступают во взаимодействие цилиндры 2-3, 3-4, 4-5, 5-6, 6-1, если ДВС шестицилиндровый, и т.д.

Для того, чтобы не произошло более, чем у двухтактного двигателя, потери рабочего объема цилиндров, в тракте между полостью цилиндра и активным соплом эжектора необходимо предусмотреть запирающий элемент, в качестве которого может быть, например, поршень или клапан, открывающий выхлопное окно только на время эжектирования. Все остальное время оно должно быть закрыто.

На фиг. 2 схема роторно-поршневого ДВС с шестью качающимися поршнями (1-6). В картере 7 имеется три окна: выхлопное 8, сообщенное с активным соплом 9 эжектора, отсоса остаточных газов 10, сообщенное с пассивным соплом эжектора, окно всасывания рабочей смеси 11.

Двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора в картере 7 две соседние камеры, на схеме камеры 4 и 5, проходят зону выхлопных и всасывающих окон. Поршень 5 в камере в конце рабочего хода на подходе к НМТ открывает выхлопное окно 8, сообщенного с активным соплом 9 эжектора, в результате чего отработавшие газы с большой скоростью истекают из камеры 5 эжектируя через окно отсоса 10 остаточные газы из камеры 4, поршень которой в это время находится в НМТ и открывает окно всасывания 10 и в камеру поступает свежая рабочая смесь. При дальнейшем повороте ротора в секторе выхлопа окажутся камеры 5 и 6 и процесс повторится. При таком газораспределении за один оборот ротора произойдет столько рабочих ходов, сколько рабочих камер с поршнями, от чего повысится плавность вращения ротора, а назначение маховика полностью отпадает.

На фиг.3 схема роторного ДВС с жидкостным кольцом. В картере 1 эксцентрично расположен ротор 2 с лопастями 3-6 (в данном примере четырехлопастной). Через одну торцовую стенку картера проходит вал ротора, являющийся одновременном валом отбора мощности. На второй торцевой стенке расположены выхлопные окна (7 отработавших газов, 8 отсоса остаточных газов) и всасывающее окно 9, через которое поступает свежая рабочая смесь из карбюратора. Окна 7,8 сообщаются с эжектором, активное сопло сообщено с окном 7, а пассивное с окном 8.

На фиг. 4 схема однорядного шестицилиндрового ДВС. На схеме цилиндры 1,2,3,4,5,6 соединены между собой эжекторами. Цилиндр 1 соединен активным соплом 7 эжектора с цилиндром 2 через его пассивное сопло 8, а пассивное сопло 9 цилиндра 1 сообщается с активным соплом 10 цилиндра 3. Пассивное сопло 11 цилиндра 3 сообщается с активным соплом 12 цилиндра 5, а его пассивное сопло 13 сообщается с активным соплом 14 цилиндра 6, который в свою очередь сообщается пассивным соплом 15 с активным соплом 16 цилиндра 4. Пассивное сопло 17 цилиндра 4 сообщается с активным соплом 18 цилиндра 2.

Такая конструкция ДВС изменяет и порядок работы цилиндров, 1-3-5-6-4-2, вместо общепринятого и используемого в двигателестроении 1-5-3-6-2-4. Во взаимодействие вступают следующие пары цилиндров: 1-3, 3-5, 5-6, 6-4, 4-2 и т.д.

При таком взаимодействии за один оборот коленчатого вала произойдет шесть рабочих ходов вместо трех у четырехконтактного ДВС.

Двигатель работает следующим образом.

При вращении ротора 2 жидкость под действием центробежных сил отбрасывается к наружным стенкам картера и принимает кольцеобразную форму. Межлопастные пространства, ограниченные жидкостью, образуют по существу рабочие камеры, соответствующие режиму работы камеры сгорания. При вращении ротора лопасти его то погружаются в жидкость (рабочая камера между лопастями 3 и 4 режим наибольшего сжатия верхняя мертвая точка), то выходят из нее (рабочая камера между лопастями 3 и 6 режим выхлопа, рабочая камера между лопастями 6 и 5 режим всасывания). При вращении ротора лопасть 6 открывает окно 7. В этот момент в предыдущей рабочей камере (режим всасывания) откроется окно отсоса остаточных газов 8 и всасывающее окно 9. При таком положении когда все окна открыты, отработавшие газы выходят через окно 7 и эжектируют остаточные газы предыдущей камеры через окно 8, а через окно 9 камера заполняется свежей рабочей смесью. При дальнейшем повороте ротора цикл повторяется между следующими парами лопастей. За один оборот ротора произойдет четыре рабочих хода.

Таким образом, предложенный способ работы ДВС и устройство, позволяющее осуществить этот способ, решили поставленную задачу с достижением новых технических результатов.

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: выпускная система ДВС позволяет использовать диапазон режима работы ДВС путем согласования местонахождения выхлопных окон и окон отсоса остаточных газов с режимом работы ДВС. Отработавшие, находящиеся в рабочей камере газы под давлением, в конце рабочего хода, в режиме выхлопа выбрасываются из полости на активное сопло эжектора, сообщенного пассивным соплом с окном отсоса остаточных газов предыдущей рабочей камеры, работающей в этот момент в режиме всасывания, в которой происходит очистка полости от остаточных газов. Органом перекрытия выхлопных окон является рабочий орган камеры сгорания, перемещающийся в полости. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в том, что остаточные газы предыдущей рабочей камеры двигателя с рабочим органом, находящимся в нижней мертвой точке, и с открытыми окнами всасывания и отсоса в процессе всасывания в нее свежего заряда воздуха эжектируются отработавшими газами последующей рабочей камеры двигателя с открытым выхлопным окном и перемещающимся рабочим органом в процессе их выхлопа, отличающийся тем, что во время эжекции остаточных газов из предыдущей рабочей камеры двигателя, выхлопное окно которой открыто в последующую, рабочий орган в последней находится вблизи нижней мертвой точки. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочую камеру, рабочий орган, перемещающийся в полости камеры, выпускные окна с органами перекрытия, по меньшей мере один эжектор, активное сопло которого сообщено с выхлопным окном отработавших газов, а пассивное с окном отсоса остаточных газов, отличающийся тем, что орган перекрытия выполнен в виде рабочего органа, перемещающегося в полости рабочей камеры.