СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F02B33/22 F02B41/06 F02G3/02 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно, к способам работы двигателей внутреннего сгорания и двигателям внутреннего сгорания с разделенным циклом.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие воздуха компрессором, приводимым от коленчатого вала, охлаждение его в первом охладителе, повторное сжатие воздуха в цилиндре сжатия, повторное его охлаждение во втором охладителе, подачу воздуха в цилиндр сгорания вместе с топливом, сгорание последнего и частичное расширение продуктов сгорания, их перепуск и дальнейшее расширение в одном цилиндре расширения и выпуск в атмосферу, причем процессы сгорания топлива и частичного расширения продуктов сгорания в цилиндре сгорания осуществляют с опережением на 100^o поворота коленчатого вала процессов перепуска через окна и дальнейшего расширения продуктов сгорания в цилиндре расширения.

Из того же источника известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр сгорания с размещенным в нем поршнем сгорания, связанным при помощи шатуна с кривошипом коленчатого вала, впускным и выпускным клапанами, перепускными окнами, топливной форсункой и свечой зажигания, цилиндр расширения с размещенным в нем поршнем расширения и выходным клапаном, соединенный с цилиндром сгорания через перепускные окна, цилиндр сжатия с размещенным в нем поршнем сжатия, сообщенный с цилиндром сгорания через второй охладитель и впускной клапан, и компрессор, приводимый от коленчатого вала и подсоединенный к цилиндру сжатия через первый охладитель, причем поршни сжатия и расширения кинематически связаны с коленчатым валом.

Однако известные способ и двигатель характеризуются недостаточной эффективностью.

Цель изобретения повышение эффективности способа работы двигателя внутреннего сгорания и двигателя внутреннего сгорания.

Цель достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, включающем сжатие воздуха компрессором, охлаждение его в первом охладителе, повторное сжатие воздуха в цилиндре сжатия, повторное его охлаждение во втором охладителе, подачу воздуха в цилиндр сгорания вместе с топливом, сгорание последнего и частичное расширение продуктов сгорания, их перепуск и дальнейшее расширение в цилиндре расширения и выпуск, согласно изобретению продукты сгорания из цилиндра расширения и дополнительного цилиндра расширения перед выпуском направляют в турбину, приводящую компрессор, а процессы сгорания топлива и частичного расширения продуктов сгорания в цилиндре сгорания осуществляют с опережением на 180^o поворота коленчатого вала процессоров перепуска через клапан и дальнейшего расширения продуктов сгорания в цилиндрах расширения.

Цель достигается также тем, что двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр сгорания с размещенным в нем поршнем сгорания, связанным при помощи шатуна с кривошипом коленчатого вала, впускным клапаном, перепускным органом, топливной форсункой и свечой зажигания, цилиндр расширения с размещенным в нем поршнем расширения, соединенный с цилиндром сгорания через перепускной орган, цилиндр сжатия с размещенным в нем поршнем сжатия, сообщенный с цилиндром сгорания через второй охладитель и впускной клапан, и компрессор, подсоединенный к цилиндру сжатия через первый охладитель, причем поршни сжатия и расширения кинематически связаны с коленчатым валом, согласно изобретению снабжен дополнительным цилиндром расширения, имеющим поршень расширения и соединенным с цилиндром сгорания через перепускной орган, который выполнен в виде клапана, и турбиной, приводящей компрессор и подключенный к одному или двум цилиндрам расширения, причем один ли оба, в случае двух цилиндров расширения, поршня расширения и поршень сжатия связаны через шатуны с соответствующими кривошипами коленчатого вала, а кривошипы коленчатого вала, с которыми связаны поршни расширения, сдвинуты на 180^o относительно кривошипа, с которым связан поршень сгорания.

Кроме того, двигатель дополнительно может быть снабжен уравнительными резервуарами, один из которых установлен между вторым охладителем и цилиндром сгорания, а другой между цилиндрами расширения и турбиной.

На фиг. 1 представлена схема четырехцилиндрового двигателя; на фиг. 2 - кинематическая схема четырехцилиндрового двигателя; на фиг. 3 схема трехцилиндрового двигателя; на фиг. 4 кинематическая схема трехцилиндрового двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению содержит цилиндр 1 сгорания (фиг. 1, 3) с размещенными в нем поршнем 2 сгорания, связанным при помощи шатуна 3 с кривошипом 4 коленчатого вала 5, впускным клапаном 6, перепускным клапаном 7, топливной форсункой и свечой зажигания (не показаны), один или два цилиндра 8 расширения с размешенными в них поршнями 9 расширения, соединенные с цилиндром 1 сгорания при помощи выпускного патрубка 10 и через перепускной клапан 7, цилиндр 11 сжатия с размещенным в нем поршнем 12 сжатия, сообщенный с цилиндром 1 сгорания через охладитель 13 и впускной клапан 6, компрессор 14, связанный с воздушным фильтром 15 и подсоединенный к цилиндру 11 сжатия через охладитель 16, и турбину 17, приводящую компрессор 14 и подключенную к одному или двум цилиндрам 8 расширения. В отличие от четырехцилиндрового двигателя (фиг. 1) у трехцилиндрового двигателя (фиг. 3) два цилиндра 8 расширения объединены в один увеличенного объема. Один или оба поршня 9 расширения (фиг. 2, 4) и поршень 12 сжатия связаны через шатуны 18, 19 с соответствующими кривошипами 20, 21 коленчатого вала 5, а кривошипы или кривошип 20 коленчатого вала 5, с которыми связаны поршни или поршень 9 расширения, сдвинуты на 180^o относительно кривошипа 4, с которым связан поршень 2 сгорания. Установленный объем цилиндра 1 сгорания при нахождении его поршня 2 в верхней мертвой точке (ВМТ) можно оптимально увеличить таким образом, чтобы когда поршень 2 начнет ускоряться в рабочем такте, изменение объема уменьшалось с изменением времени (dU/dT), что уменьшает давление в цилиндре 1 при увеличении объема до более низкого уровня, чем при намного меньшем объеме в ВМТ, как это происходит в известных циклах Отто и Дизеля с высокой степенью сжатия.

Кроме того, двигатель дополнительно может быть снабжен уравнительными резервуарами 22, один из которых установлен между охладителями 13 и цилиндром 1 сгорания, а другой между цилиндрами 8 расширения и турбиной 17.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Фильтрованный атмосферный воздух из фильтра 15 поступает в компрессор 14, где он сжимается. Сжатый воздух, проходя охладитель 16, охлаждается и поступает в цилиндр 11 сжатия. В нем воздух сжимается повторно. При этом давление сжатого воздуха составляет до 40-100% от конечного давления сжатия таким образом, чтобы по существу все или большая часть сжатия воздуха осуществлялось снаружи цилиндра 1 сжатия. Затем в охладителе 13 осуществляют повторное охлаждение воздуха до температуры, эффективной для удержания сжатого воздуха, смешанного с топливом, перед фронтом пламени ниже температуры воспламенения смеси до или во время сгорания в цилиндре 1 сгорания и предпочтительно ниже температуры 982^oC, которая является приблизительной температурой, при которой начинается образование NO_x. Охлажденный воздух, проходя уравнительный резервуар 22, поступает в цилиндр 1 сгорания, предпочтительно до ВМТ поршня 2 сгорания. В этот же цилиндр 1 форсункой (не показана) подают топливо с рассчитанной по времени степенью на протяжении области, начинающейся от 45^o поворота коленчатого вала до ВМТ и до 35^o после ВМТ и заканчивающейся от 45 до 200^o после ВМТ. Образующаяся смесь воздуха с топливом воспламеняется свечой зажигания (не показана). Происходит сгорание топлива и частичное расширение продуктов сгорания в цилиндре 1. За счет охлаждения воздуха перед началом сгорания намного сильнее, чем в циклах Отто, Дизеля и других циклах, за счет уменьшения dU/dT до намного меньшей степени и за счет регулирования времени впрыскивания топлива таким образом, что степень выделения тепла от процесса сгорания такова, что изменения объема и давления цилиндра 1 дополняют друг друга, обеспечивая регулируемый отвод тепла, увеличение крутящего момента и мощности, уменьшение расхода топлива, значительное уменьшение уровня загрязняющих веществ и не происходит значительного изменения давления в цилиндре 1 во время процесса сгорания. Как идеальное условие, давление в цилиндре 1 при нахождении его поршня 2 в нижней мертвой точке (НМТ) или в точке, в которой начинает открываться перепускной клапан 7, не будет ниже 30% по существу постоянного регулируемого давления сгорания. Из цилиндра 1 сгорания через клапан 7 с запаздыванием на 180^o относительно процессов, происходящих в нем, продукты сгорания перепускаются по выпускному патрубку 10 в цилиндры 8 расширения, где происходит их дальнейшее расширение и приводятся в действие поршни 9. Затем продукты сгорания через уравнительный резервуар 22 направляют в турбину 17, приводящую компрессор 14.

Использование: двигатели внутреннего сгорания с разделенным циклом. Сущность изобретения: продукты сгорания из цилиндра расширения и дополнительного цилиндра расширения перед выпуском направляют в турбину, приводящую компрессор, а процессы сгорания топлива и частичного расширения продуктов сгорания в цилиндре сгорания осуществляют с опережением на 180^o поворота коленчатого вала процессов перепуска через клапан и дальнейшего расширения продуктов сгорания в цилиндрах расширения. Для этого двигатель снабжен дополнительным цилиндром расширения, имеющим поршень расширения и соединенным с цилиндром сгорания через перепускной орган, который выполнен в виде клапана, и турбиной, приводящей компрессор и подключенный к одному или двум цилиндрам расширения, причем один или оба, в случае двух цилиндров расширения, поршня расширения и поршень сжатия связаны через шатуны с соответствующими кривошипами коленчатого вала, а кривошипы коленчатого вала, с которыми связаны поршни расширения, сдвинуты на 180^o относительно кривошипа, с которым связан поршень сгорания. 2 с и 13 п.ф-лы, 4 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие воздуха компрессором, охлаждение его в первом охладителе, повторное сжатие воздуха в цилиндре сжатия, повторное его охлаждение во втором охладителе, подачу воздуха в цилиндр сгорания вместе с топливом, сгорание последнего и частичное расширение продуктов сгорания, их перепуск и дальнейшее расширение в цилиндре расширения и выпуск, отличающийся тем, что продукты сгорания из цилиндра расширения и дополнительного цилиндра расширения перед выпуском направляют в турбину, приводящую компрессор, а процессы сгорания топлива и частичного расширения продуктов сгорания в цилиндре сгорания осуществляют с опережением на 180^o поворота коленчатого вала процессов перепуска через клапан и дальнейшего расширения продуктов сгорания в цилиндрах расширения. 2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр сгорания с размещенным в нем поршнем сгорания, связанным при помощи шатуна с кривошипом коленчатого вала, впускным клапаном, перепускным органом, топливной форсункой и свечой зажигания, цилиндр расширения с размещенным в нем поршнем расширения, соединенный с цилиндром сгорания через перепускной орган, цилиндр сжатия с размещенным в нем поршнем сжатия, сообщенный с цилиндром сгорания через второй охладитель и впускной клапан, и компрессор, подсоединенный к цилиндру сжатия через первый охладитель, причем поршни сжатия и расширения кинематически связаны с коленчатом валом, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным цилиндром расширения, имеющим поршень расширения и соединенным с цилиндром сгорания через перепускной орган, который выполнен в виде клапана, и турбиной, приводящей компрессор и подключенной к одному или двум цилиндрам расширения, причем один или оба, в случае двух цилиндров расширения, поршня расширения и поршень сжатия связаны через шатуны с соответствующими кривошипами коленчатого вала, а кривошипы коленчатого вала, с которыми связаны поршни расширения, сдвинуты на 180^o относительно кривошипа, с которым связан поршень сгорания. 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен уравнительными резервуарами, один из которых установлен между вторым охладителем и цилиндром сгорания, а другой между цилиндрами расширения и турбиной.