СПОСОБ РАБОТЫ ДВУХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1999 года по МПК F02B41/04 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано в создании двухтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известны двухтактные карбюраторные и дизельные ДВС, реализующие элементы цикла V = const, P = const, со смешанным процессом сжатия и др. (см., Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессов и комбинированных двигателей. Под. ред. А.С.Орлина, М., Машиностроение, 1971) [1].

Известен проект двигателя, работающий по циклу Кристиансена ("Автомобильная промышленность США", N 1, 1980 г., стр. 3). В двигателе Кристиансена по способу работы осуществляют степень изменения объема в процессе расширения рабочего тела, превышающую степень изменения объема при его сжатии. В этом двигателе нет коленчатого вала, а имеется цилиндрический вал, общий для всех поршней, и кулачковый барабан. Профиль данного кулачка позволяет реализовать превышение степени изменения объема при расширении над степенью изменения объема при сжатии. Кулачковый барабан имеет очень сложную кинематическую цепь преобразования. Кроме того, в названном двигателе предусмотрен вращающийся блок цилиндров. Более чем за 15 лет названная конструкция не реализована из-за своей сложности даже в экспериментальном образце.

Наиболее близким техническим решением является способ работы двухтактного ДВС, осуществляющего работу в группе горячих поршней с процессами заполнения рабочего объема свежим воздухом, его сжатия, подвода топлива, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости с процессом заполнения рабочего объема свежим воздухом [1].

Основным недостатком классического двухтактного ДВС является то, что в конце рабочего хода поршня рабочее тело имеет высокую способность к производству работы (P₄ = ≈ 0,4 МПа; T₄ = ≈ 1350 K). Эта работа не используется и, как следствие, получаем невысокий КПД, порядка hi = 0.3. Пониженный КПД определен еще и тем, что коэффициент заполнения меньше единицы из-за неполной продувки и из-за наличия мертвого пространства, определенного объемом камеры сгорания. Изобретение решает задачу повышения КПД и удельной мощности.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе работы двухтактного ДВС, осуществляющего работу в группе горячих поршней с процессами заполнения объема свежим воздухом, его сжатия, подвода топлива, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости и заполнения рабочего объема свежим воздухом - вводят группу холодных поршней с всасывающим и нагнетающим клапанами, вводят коммуникации высокого давления, включающие в себя ресивер с клапанами, и осуществляют сжатие над свежим воздухом в холодной группе поршней, откуда сжатый воздух по коммуникациям высокого давления, включающих в себя ресивер с клапанами, расчетный заряд воздуха подают на горячую группу поршней в камеру сгорания при изменении ее объема от минимального до расчетного, в горячей группе поршней в процессе расширения продуктов сгорания обеспечивают превышение степени изменения объема рабочего заряда по сопоставлению со степенью изменения объема в процессе сжатия соответствующего заряда в холодной группе, при повороте коленвала на один и тот же угол.

На фиг. 1 и фиг. 2 показаны схемы устройств в варианте осуществления простейшего двухтактного процесса. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны схемы устройств в варианте осуществления рабочего процесса при совмещении холодной группы поршней в одном цилиндре оппозитного и обычного двигателя. На фиг. 5 показан вариант схемы ДВС с регенерацией тепла выхлопных газов. На фиг. 6 показан термодинамический цикл работы ДВС для осуществления заявленного способа работы.

На фиг. 1 двухтактный ДВС включают холодный блок - 1 с поршнем - 2, всасывающими клапанами - 3 (при двухходовой конструкции нагнетания сжатого воздуха в ресивер) и нагнетающим клапаном - 4, ресивером - 5. ДВС так же включает рабочий (горячий ) блок - 6 с поршнем - 7. Относительный объем камеры сгорания показан позицией - 8. Впускной клапан рабочей (горячей) части показан позицией - 9. Коммуникация сжатого газа - 10. Выхлопной клапан - 11. Принципиальное размещение шатунно-кривошипной группы показано на позиции - 12. Запуск ДВС возможен обычным способом, что обеспечивается всасывающим клапаном 13 и выпускным клапаном 14 - оба клапана работают только на запуске. Неисключен запуск от сжатого воздуха в ресивере.

На фиг. 2 показан вариант исполнения двухтактного ДВС, где вместо ресивера последовательного включения - 5 установлен ресивер параллельного включения - 5.

На фиг. 3 оппозитной схеме холодная группа представлена тыльной стороной поршня 2.

На фиг. 4 в двигателе стандартной схемы холодная группа представлена тыльной стороной поршня 2.

На фиг. 5 ресивер 15 выполнен в виде теплообменника с выхлопом - 16.

На фиг. 6 показан рабочий цикл с типовыми параметрами.

ДВС работает следующим образом (рис. 1) В холодной группе цилиндра - 1, двухходовой поршневой компрессор с поршнем - 2 засасывает через клапаны - 3 свежий воздух и при степени изменения объема, например, в 8 раз обеспечивает при среднем показателе политропы n = 1.3 степень повышения давления π = 15. Через клапан 4 воздух поступает в ресивер последовательного включения - 5. В ресивере - 5 среднее давление P = 1,5 МПа и при этом объем превышает суммарные объемы камер сгорания, например, в 10 раз - для выравнивания процесса. Когда рабочий поршень - 7 в рабочей (горячей) группе - 6 полностью вытеснит продукты сгорания через клапан - 11, остаточный (минимальный) объем близок к нулю, открывается клапан - 9 и камера сгорания 8 заполняется (в процессе движения поршня вниз) необходимой порцией свежего и уже сжатого до расчетного давления воздуха. С учетом демпферирующих свойств ресивера и осуществления режима заполнения (поршень находится в районе верхней мертвой точки - относительная скорость его в цилиндре минимальна) - флуктуации давления и потери на клапанах - 9, например, в количестве 2 - 6 (условно показано один клапана на поршень) сводятся к минимуму. Этому же способствует относительное расположение шатунов холодного и рабочих поршней на кривошипе. В процессе заполнения впрыскивается топливо и происходит после закрытия клапанов - 9 его сжигание. Начинается рабочий ход. Пусть в частном случае диаметр горячей части D₂ = 1,58^*D₁. При равенстве зарядов G₁=G₂ и высоте холодной камеры сгорания h1, объем V1=V2, и, соответственно, h2^*0,785^*(1,58^*D₁)² = h1^*0,785^*D₁ ². Тогда высота камеры сгорания в горячей группе - h2 будет в 2,5 раза ниже высоты камеры сгорания аналога (в холодной группе) при равенстве количества рабочего заряда. Отсюда, при одинаковой величине хода поршня обеспечивают превышение степени изменения объема рабочего заряда по сопоставлению со стандартной степенью изменения объема. При указанной разнице в диаметрах вместо изменения степени изменения объема в 8 раз получаем степень изменения объема в 8 х 2,5 = 20 раз. Результат такого "расширяющего" хода без увеличения длины поршневой группы показан на фиг. 3. Заштрихованная часть цикла эквивалентна дополнительной работе.

В ДВС по фиг. 2 ресивер - 5 установлен параллельно коммуникациям и выполняет функцию демпфера. Сжатый воздух напрямую подается из холодного поршня в горячий (без дроселирования) за счет того, что амплитуда кривошипно-шатунного механизма горячего поршня расчетно ниже амплитуды холодного поршня. Заполнение сжатым воздухом начинается с минимального, практически с нулевого объема (верхняя мертвая точка горячего поршня). В рассматриваемом случае, благодаря уменьшению диаметра расположения шеек вала шатунно-кривошипного механизма для рабочих поршней относительно холодного поршня, возможно дальнейшее увеличение диаметра рабочих поршней с сохранением превышения расширения над сжатием, в частном случае, в 2,5 раза.

На фиг. 3 в оппозитной схеме холодный воздух сжимается тыльной стороной поршня 2. При подаче рабочего заряда в камеру сгорания поршни 7 и 2, расширяясь, создают двойной объем для продуктов сгорания (эквивалентный диаметр горячей группы поршней увеличивается на
На фиг. 4 сжатый тыльной стороной поршня - 2 воздух, проходя через ресивер, последовательно расширятся, например, в двух горячих цилиндрах.

В ДВС по фиг. 5 предусмотрена регенерация тепла выхлопных газов. Горячие газы через выхлопной клапан - 11 подаются в межтрубное пространство регенератора-ресивера - 15 и далее на выхлоп - 16, а сжатый воздух через клапан - 4 подается в трубное пространство, где санагревается и далее через клапан - 9 поступает в камеру сгорания - 8.

На фиг. 6 заштрихованная вертикальная часть между точками 2 и 3 показывает регенеративную часть введенного тепла. Заштрихованная часть площадь 1-4-5-6 эквивалента дополнительной работе.

Способ работы ДВС может быть реализован в однорядных и двухрядных ДВС, V - образных двигателях, в оппозитных двигателях. С двумя и более группами холодных поршней, включая расположение холодных поршней с тыльной стороны горячих поршней в различной соотносительности в их диаметрах. Использованием дополнительных клапанов или клапанов запуска 13, 14 (при их одновременном открытии) возможен холостой ход горячих поршней с целью регулирования вырабатываемой мощности и организации, при необходимости, только воздушного охлаждения, например, каждый третий ход - "холодный". Клапанами 4 можно регулировать давление в ресивере и использовать различные топлива.

Для технико-экономической оценки предлагаемого изобретения обратимся к фиг. 6. В незаштрихованной части цикла показаны достаточно типичные параметры двухтактного карбюраторного ДВС. Заштрихованная часть показывает дополнительную работу, которую можно реализовать благодаря данному изобретению. Превышение цикловой работы над аналогом происходит до 50% при том же расходе топлива. Обосновано можно предположить, что сгорание в большом объеме приводит к улучшению экологических показателей выхлопа.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в создании всетопливных двухтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС). В двухтактный двигатель вводят поршневой компрессор (холодная группа поршней), из которого подают, например, через ресивер сжатый воздух в рабочую (горячую) группу поршней в режиме заполнения объема от минимального (практически от нулевого объема) до заданного. За счет увеличения диаметра горячей поршневой группы по сопоставлению с диаметром холодной поршневой группы степень увеличения объема при расширении равна порядка 20 при стандартной степени изменения объема при сжатии в 8 - 10 раз. При этом длина рабочего хода горячей группы по сравнению с ходом в холодной группе может быть уменьшена более чем в два раза. Давление горячего выхлопа по данному изобретению порядка 1,1 ата вместо существующего 3 - 5 ата. Цикловая экономичность возрастает в 1,5 раза по сопоставлению со стандартным четырехтактным двигателем. Изобретение обеспечивает увеличение объема в процессе горячего расширения, улучшает экологические показатели цикла. 6 ил.

Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания, осуществляющего работу в группе горячих поршней с процессами заполнения рабочего объема свежим воздухом, его сжатия, подвода топлива, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости и заполнения рабочего объема свежим воздухом, отличающийся тем, что вводят группу холодных поршней с всасывающим и нагнетающим клапанами, вводят коммуникации высокого давления, включающие в себя ресивер с клапанами, и осуществляют сжатие над свежим воздухом в холодной группе поршней, откуда сжатый воздух по коммуникациям высокого давления, включающим в себя ресивер с клапанами, расчетный заряд воздуха подают на горячую группу поршней в камеру сгорания при изменении ее обьема от минимального до расчетного, в горячей группе поршней в процессе расширения продуктов сгорания обеспечивают превышение степени изменения объема рабочего заряда по сопоставлению со степенью изменения объема в процессе сжатия соответствующего заряда в холодной группе при повороте коленвала на один и тот же угол.