Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности, к конструкциям четырехтактных двигателей внутреннего сгорания и способам их работы.
Известен способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в каждый цилиндр воздуха на первом такте, сжатие на втором такте, впрыск топлива в сжатый воздух, воспламенение и сжигание топлива, расширение продуктов сгорания на третьем такте, на четвертом такте дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, впрыск жидкости в надпоршневое пространство каждого цилиндра, на пятом такте парообразование жидкости и расширение пара, на шестом такте вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара (см. заявку PCT, WO 95/32360, МПК6 F 02 B 75/02).
Недостатками описанного способа работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания являются низкий коэффициент полезного действия (КПД) двигателя вследствие потерь энергии на дополнительное сжатие продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива на четвертом такте, токсичность отработавших газов, загрязняющих окружающую среду, а также сложность конструкции двигателя внутреннего сгорания, реализующего способ.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий впуск в надпоршневое пространство цилиндра воздуха или топливовоздушной смеси на первом такте, сжатие и воспламенение на втором такте, сжигание топливовоздушной смеси для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию вала на третьем такте, частичное вытеснение продуктов сгорания из цилиндра в атмосферу на четвертом такте. В конце первого такта в надпоршневые пространства цилиндров подают продукты сгорания с эжектируемой жидкостью, например водой, путем попеременного частичного перепуска продуктов сгорания из одного цилиндра в другой при соединении цилиндров попарно со сдвигом фаз на 360o (см. авторское свидетельство СССР N 954583, М. кл.3 F 02 B 47/02).
Недостатками описанного способа работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания являются низкий КПД двигателя вследствие потерь остаточной энергии продуктов сгорания при их выпуске из цилиндра, недостаточная нейтрализация продуктов сгорания от токсичных компонентов вследствие частичного перепуска продуктов сгорания из одного цилиндра в другой с эжектированием жидкости, а также повышенный шум, создаваемый выбрасываемыми из цилиндра с высокой скоростью продуктами сгорания.
Известен шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, цилиндропоршневую группу, механизм для подачи топлива в цилиндр и механизм для компенсации пикового давления (см. заявку PCT, WO 95/32360, МПК6 F 02 B 75/02).
Недостатками этого шеститактного двигателя внутреннего сгорания являются низкий КПД двигателя вследствие потерь энергии на перемещение поршня в цилиндре при дополнительном сжатии продуктов сгорания и частиц несгоревшего топлива, а также сложность конструкции, обусловленная наличием механизма для компенсации пикового давления.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, по меньшей мере четыре предназначенных для топливовоздушной смеси цилиндра и поршня. Поршни размещены в цилиндрах и связаны с коленчатым валом. Цилиндры попарно соединены каналами для частичного перепуска продуктов сгорания из одного цилиндра в другой. В этих каналах установлены дозирующие устройства для подачи эжектируемой жидкости, сообщенные с емкостью посредством трубопровода (см. авторское свидетельство СССР N 954583, М. кл.3 F 02 B 47/02).
Недостатками вышеописанного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания являются низкий КПД двигателя вследствие потерь энергии на подачу из емкости жидкости и ее эжектирование продуктами сгорания, недостаточная нейтрализация продуктов сгорания от токсичных компонентов, образующихся в цилиндре под воздействием высокой температуры, из-за малого количества жидкости, поступающей в цилиндр с продуктами сгорания, а также повышенный шум при выхлопе, создаваемый выбрасываемыми из цилиндра с высокой скоростью продуктами сгорания.
Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающем впуск в надпоршневое пространство одного цилиндра воздуха или топливовоздушной смеси на первом такте, сжатие и воспламенение на втором такте, сжигание топливовоздушной смеси для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию вала на третьем такте, вытеснение продуктов сгорания из цилиндра на четвертом такте, причем в надпоршневое пространство подают продукты сгорания и жидкость при соединении цилиндров со сдвигом фаз, на четвертом такте из надпоршневого пространства одного цилиндра в надпоршневое пространство другого цилиндра в соединенных между собой цилиндрах, фазы которых сдвинуты на 540o, подают продукты сгорания путем полного их перепуска, при этом в последнем цилиндре на втором такте производят сжатие продуктов сгорания и подачу в надпоршневое пространство нейтрализующей жидкости, предназначенной для нейтрализации продуктов сгорания и преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию вала, причем подачу в надпоршневое пространство нейтрализующей жидкости производят в конце второго такта. На третьем такте осуществляют парообразование нейтрализующей жидкости для преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию вала и нейтрализацию продуктов сгорания. На четвертом такте производят вытеснение нейтрализованных отработавших газов с частицами пара в атмосферу.
Сущность изобретения заключается также в том, что в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, содержащем коленчатый вал, цилиндры, соединенные каналом, поршни, размещенные в цилиндрах и связанные с коленчатым валом, один из цилиндров в соединенных каналом цилиндрах, предназначенный для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания, снабжен форсункой для подачи нейтрализующей жидкости. При этом другой цилиндр в соединенных каналом цилиндрах предназначен для топливовоздушной смеси.
Сущность изобретения заключается также в том, что поршни цилиндров четырехтактного двигателя внутреннего сгорания в соединенных каналом цилиндрах связаны с разными коленчатыми валами, параллельными друг другу.
Техническим результатом является повышение эффективного КПД двигателя, снижение шума при выхлопе продуктов сгорания и уменьшение их токсичности.
Повышение эффективного КПД двигателя обеспечивается максимальным использованием тепловой энергии продуктов сгорания путем парообразования нейтрализующей жидкости на третьем такте в цилиндре, предназначенном для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания, соединенном каналом с цилиндром, предназначенным для топливовоздушной смеси, при сдвиге фаз этих цилиндров на 540o.
Снижение шума при выхлопе продуктов сгорания обеспечивается уменьшением кинетической энергии продуктов сгорания, которую используют в процессе испарения нейтрализующей жидкости на третьем такте, поданной посредством форсунки в надпоршневое пространство цилиндра, предназначенного для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания в конце второго такта работы этого цилиндра при его соединении каналом с цилиндром, предназначенным для топливовоздушной смеси.
Уменьшение токсичности продуктов сгорания достигается путем их обработки нейтрализующей жидкостью в конце второго такта, при условии подачи этой жидкости посредством форсунки в надпоршневое пространство цилиндра, предназначенного для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания, соединенного каналом с цилиндром, предназначенным для топливоздушной смеси.
Конструкции предлагаемого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания поясняются чертежом, где на фиг. 1 изображен вариант двигателя с внешним смесеобразованием, на фиг. 2 - вариант двигателя с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, на фиг. 3 - вариант двигателя с внутренним смесеобразованием и принудительным зажиганием, на фиг. 4 - вариант двигателя с двумя коленчатыми валами.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (см. фиг. 1 - 3) содержит блок цилиндров 1, цилиндр 2, предназначенный для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания, цилиндр 3, предназначенный для топливовоздушной смеси, поршни 4 и 5, коленчатый вал 6, шатуны 7 и 8, головку 9 блока цилиндров 1, механизм газораспределения с впускными клапанами 10, 11 и выпускными клапанами 12, 13. В головке 9 блока цилиндров 1 выполнен канал 14 для перепуска продуктов сгорания, соединяющий цилиндры 2 и 3. Кроме этого, двигатель снабжен форсункой 15 для подачи нейтрализующей жидкости в цилиндр 2, впускным 16 и выпускным 17 коллекторами.
При внешнем смесеобразовании (см. фиг. 1) четырехтактный двигатель внутреннего сгорания снабжен свечой зажигания 18.
При внутреннем смесеобразовании и воспламенении от сжатия (см. фиг. 2) четырехтактный двигатель внутреннего сгорания снабжен форсункой 19 для подачи топлива в цилиндр 3.
При внутреннем смесеобразовании и принудительном воспламенении (см. фиг. 3) четырехтактный двигатель внутреннего сгорания снабжен свечой зажигания 18 и форсункой 19 для подачи топлива в цилиндр 3.
В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания (см. фиг. 4), на примере двигателя с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, поршни 4 и 5 цилиндров 2 и 3 соединены посредством шатунов 7 и 8 с коленчатыми валами 20 и 21 соответственно, расположенными параллельно друг другу. Коленчатые валы 20 и 21 связаны между собой муфтой 22, что обеспечивает их разгрузку от пикового давления.
В качестве нейтрализующей жидкости может быть использована вода.
Кроме этого, на чертеже стрелками изображено движение топливовоздушной смеси или воздуха в зависимости от типа смесеобразования двигателя внутреннего сгорания, а также движение продуктов сгорания по каналу 14 и движение отработавших газов с частицами пара по выпускному коллектору 17.
Способ работы четырехтактного двигателя с внешним смесеобразованием, с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия, с внутренним смесеобразованием и принудительным зажиганием (см. фиг. 1 - 3) осуществляют следующим образом. Надпоршневое пространство цилиндра 3 на первом такте (0-180o) при движении поршня 5 к нижней мертвой точке заполняют топливовоздушной смесью при внешнем смесеобразовании (см. фиг. 1) или воздухом при внутреннем смесеобразовании (см. фиг. 2, 3), поступающей из впускного коллектора 16 через открытый впускной клапан 11. При этом выпускной клапан 13 закрыт. В последующем на втором такте (180 - 360o) при движении поршня 5 от нижней мертвой точке к верхней мертвой точке впускной клапан 11 закрывают, производят сжатие топливовоздушной смеси (см. фиг. 1) или воздуха (см. фиг. 2, 3). В конце второго такта при подходе поршня 5 к верхней мертвой точке происходит воспламенение топливовоздушной смеси свечой зажигания 18 (см. фиг. 1) или самовоспламенение при впрыске топлива через форсунку 19 (см. фиг. 2) или воспламенение свечой зажигания 18 при впрыске топлива через форсунку 19 (см. фиг. 3).
На третьем такте (360-540o) при движении поршня 5 к нижней мертвой точке топливовоздушная смесь сгорает, совершается рабочий ход для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала 6. При достижении поршнем 5 нижней мертвой точки одновременно открывают выпускной клапан 13 цилиндра 3 и впускной клапан 10 цилиндра 2, причем поршень 4 цилиндра 2 находится в верхней мертвой точке начала первого такта рабочего цикла цилиндра 2.
При последующем движении поршня 5 к верхней мертвой точке на четвертом такте (540-720o) производят вытеснение продуктов сгорания из надпоршневого пространства цилиндра 3 в канал 14 для перепуска продуктов сгорания и осуществляют подачу продуктов сгорания в надпоршневое пространство цилиндра 2 путем их полного перепуска из надпоршневого пространства цилиндра 3, соединенного с цилиндром 2 со сдвигом фаз 540o. Выпускной клапан 12 и впускной клапан 11 закрыты. Таким образом, при движении поршня 5 к верхней мертвой точке на четвертом такте в цилиндре 3 и одновременно поршня 4 к нижней мертвой точке на первом такте в цилиндре 2 осуществляют полный перепуск продуктов сгорания из цилиндра 3 в цилиндр 2.
При последующем движении поршня 4 к верхней мертвой точке на втором такте впускной клапан 10 закрывают, производят сжатие продуктов сгорания и в конце второго такта при достижении поршнем 4 верхней мертвой точки - подачу в надпоршневое пространство цилиндра 2 через форсунку 15 нейтрализующей жидкости, предназначенной для нейтрализации продуктов сгорания и преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала. На третьем такте при движении поршня 4 к нижней мертвой точке происходят испарение и парообразование нейтрализующей жидкости для преобразования остаточной энергии продуктов сгорания, т.е. давления расширяющего пара на головку поршня 4, во вращательную энергию коленчатого вала 6 посредством шатуна 7 и нейтрализация продуктов сгорания. На четвертом такте при движении поршня 4 к верхней мертвой точке открывают выпускной клапан 12 и производят вытеснение нейтрализованных отработавших газов с частицами пара в атмосферу из надпоршневого пространства цилиндра 2.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания при внешнем смесеобразовании (см. фиг. 1) работает следующим образом. На первом такте цилиндра 3, предназначенного для топливовоздушной смеси, открывается впускной клапан 11 и поршнем 5, двигающимся к нижней мертвой точке, засасывается из впускного коллектора 16 через отверстие открытого впускного клапана 11 в надпоршневое пространство цилиндра 3 топливовоздушная смесь. Выпускной клапан 13 цилиндра 3 при этом закрыт.
На втором такте, при закрытом впускном клапане 11, производится сжатие топливовоздушной смеси и при подходе поршня 5 к верхней мертвой точке - воспламенение сжатой смеси от свечи зажигания 18. На третьем такте поршень 5 движется к нижней мертвой точке, топливо сгорает, а давление расширяющихся продуктов сгорания на головку поршня 5 посредством шатуна 8 преобразуется во вращательную энергию коленчатого вала 6. При достижении поршнем 5 нижней мертвой точки открываются выпускной клапан 13 цилиндра 3 и впускной клапан 10 цилиндра 2. При этом поршень 4 цилиндра 2 находится в верхней мертвой точке - начало такта цилиндра 2, предназначенного для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания.
Далее на четвертом такте продукты сгорания, вытесняемые поршнем 5, движущимся к верхней мертвой точке цилиндра 3, в канал 14, засасываются поршнем 4 в надпоршневое пространство цилиндра 2, движущимся к нижней мертвой точке. Впускной 11 и выпускной 12 клапаны закрыты при достижении поршнями 4 и 5 нижней мертвой точки и верхней мертвой точки соответственно, впускной 10 и выпускной 13 клапаны цилиндров 2 и 3 закрываются.
На втором такте цилиндра 2 поршень 4 движется к верхней мертвой точке, сжимая поступившие в надпоршневое пространство цилиндра 2 продукты сгорания, а в цилиндре 3 происходит повторный процесс впуска топливовоздушной смеси.
В конце второго такта цилиндра 2, при достижении поршнем 4 верхней мертвой точки, в надпоршневое пространство цилиндра 2, где находятся дополнительно сжатые продукты сгорания, обладающим высокой температурой, через форсунку 15 впрыскивается нейтрализующая жидкость. На третьем такте цилиндра 2 поршень 4 движется вниз, совершая рабочий ход и преобразуя давление пара посредством шатуна 7 во вращательную энергию коленчатого вала 6. На четвертом такте, при движении поршня 4 к верхней мертвой точке, открывается выпускной клапан 12 цилиндра 2 и нейтрализованные продукты сгорания с частицами пара вытесняются из цилиндра 2 в атмосферу через выпускной коллектор 17.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (см. фиг. 2) работает следующим образом. На первом такте внутреннее пространство цилиндра 3 при движении поршня 5 к нижней мертвой точке заполняется воздухом, поступающим из впускного коллектора 16 через открытый впускной клапан 11. Выпускной клапан 13 закрыт. На втором такте при движении поршня 5 от нижней мертвой точки впускной клапан 11 закрывается. Производится сжатие воздуха. При подходе поршня 5 к верхней мертвой точке в надпоршневое пространство цилиндра 3 форсункой 19 впрыскивается топливо, которое, воспламеняясь и сгорая, повышает температуру и давление, воздействующие на поршень 5, совершающий на третьем такте рабочий ход.
Далее четвертый такт работы цилиндра 3 и первый, второй, третий и четвертый такты работы цилиндра 2 происходят также, как и в описанном выше варианте двигателя с внешним смесеобразованием (по фиг. 1).
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием и принудительным зажиганием (см. фиг. 3) работает следующим образом. На первом, третьем, четвертом тактах цилиндра 3 и первом, втором, третьем, четвертом тактах цилиндра 2, работа двигателя происходит также, как и в описанном выше варианте двигателя с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия (по фиг. 2). В конце второго такта работы цилиндра 3 в его надпоршневое пространство форсункой 19 впрыскивается топливо, которое воспламеняется разрядом на электрод свечи зажигания 18.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с двумя коленчатыми валами (см. фиг. 4) работает следующим образом. Коленчатый вал 21, вращаясь, своим кривошипом через шатун 8 приводит в движение поршень 5. На первом такте поршнем 5, движущимся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, через отверстие открытого впускного клапана 11 из впускного коллектора 16 засасывается в надпоршневое пространство цилиндра 3 воздух. Выпускной клапан 13 при этом закрыт.
В начале второго такта впускной клапан 11 закрывается, поршнем 5, движущимся к верхней мертвой точке, производится сжатие воздуха. При приближении поршня 5 к верхней мертвой точке в надпоршневое пространство цилиндра 3 через форсунку 19 впрыскивается топливо, которое под воздействием высоких давлений и температуры самовоспламеняется. На третьем такте продуктами сгорания осуществляется воздействие на головку поршня 5, которое через шатун 8 преобразуется во вращательную энергию коленчатого вала 21.
В начале четвертого такта работы цилиндра 3 поршень 5 находится в нижней мертвой точке, а поршень 4 цилиндра 2, приводимый в движение шатуном 7 и кривошипом коленчатого вала 20, находится в верхней мертвой точке - начало первого такта. В это время одновременно открываются выпускной клапан 13 цилиндра 3 и впускной клапан 10 цилиндра 2, и продукты сгорания из цилиндра 3 при движении поршня 5 к верхней мертвой точке вытесняются через клапан 13 в надпоршневое пространство цилиндра 2, поршень 4 которого движется к нижней мертвой точке, увлекая за собой продукты сгорания. Выпускной клапан 12 цилиндра 2 и впускной клапан 11 цилиндра 3 при этом закрыты. В конце первого такта работы цилиндра 2 и четвертого такта работы цилиндра 3 при достижении поршнем 4 нижней мертвой точки и поршнем 5 верхней мертвой точки происходит одновременное закрытие впускного клапана 10 цилиндра 2 и выпускного клапана 13 цилиндра 3.
На втором такте работы цилиндра 2 происходит дополнительное сжатие продуктов сгорания движущимся к верхней мертвой точке поршнем 4. При достижении поршнем 4 верхней мертвой точки в надпоршневое пространство цилиндра 2 через форсунку 15 впрыскивается нейтрализующая жидкость. Нейтрализующая жидкость на третьем такте под действием высоких давлений и температур, которыми обладают дополнительно сжатые продукты сгорания, испаряется, преобразуя энергию дополнительно сжатых продуктов сгорания в тепловую энергию расширяющегося пара. Давление расширяющегося пара на поршень 4 посредством шатуна 7 преобразуется во вращательную энергию коленчатого вала 20. На четвертом такте через отверстие открытого выпускного клапана 12 нейтрализованные продукты сгорания и частицы пара поршнем 4 при движении к верхней мертвой точке вытесняются из надпоршневого пространства цилиндра 2 в выпускной коллектор 17 и далее в атмосферу.
При этом энергия с коленчатого вала 20 и 21 передается на муфту 22, соединяющую два параллельно расположенные коленчатых вала.
Таким образом, предлагаемый способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и его конструктивное выполнение позволяют повысить эффективный КПД двигателя, снизить шум при выхлопе продуктов сгорания, а также уменьшить их токсичность.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания. На первом такте в надпоршневое пространство одного из соединенных между собой цилиндров, фазы которых сдвинуты на 540°, производят впуск воздуха или топливовоздушной смеси, на втором такте осуществляют сжатие и воспламенение, а на третьем такте - сжигание топливовоздушной смеси для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию вала. На четвертом такте производят вытеснение продуктов сгорания из надпоршневого пространства вышеописанного цилиндра в надпоршневое пространство другого цилиндра в соединенных между собой цилиндрах путем полного перепуска продуктов сгорания. При этом в другом цилиндре на втором такте осуществляют сжатие продуктов сгорания и подачу в надпоршневое пространство нейтрализующей жидкости, предназначенной для нейтрализации продуктов сгорания и преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию вала. На третьем такте осуществляют парообразование нейтрализующей жидкости. На четвертом такте производят вытеснение нейтрализованных отработавших газов с частицами пара в атмосферу. В четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, реализующем способ, один из цилиндров в соединенных каналом цилиндрах, предназначенный для использования энергии и нейтрализации продуктов сгорания, снабжен форсункой для подачи нейтрализующей жидкости. При этом другой цилиндр в соединенных каналом цилиндрах предназначен для топливовоздушной смеси. Изобретение обеспечивает повышение эффективного КПД двигателя, снижение шума при выхлопе продуктов сгорания и уменьшение их токсичности. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.
