СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УСТРАНЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ДВИГАТЕЛЕМ ЦИКЛИЧЕСКОГО ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕЗАВИСИМОЙ КАМЕРОЙ СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B75/10 

Предлагаемое изобретение касается способа и устройств устранения загрязнения окружающей среды двигателями циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания, имеющей постоянный объем.

В способе устранения загрязнения окружающей среды двигателем циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания, имеющей постоянный объем, камера сжатия, камера сгорания и камера расширения представляют собой полностью независимые раздельные части, обеспечивающие, таким образом, возможность адаптации каждого из этих трех элементов к выполнению соответствующей ему функции без какого бы то ни было взаимовлияния одного элемента на другой и оборудованные в случае необходимости специальной системой контроля расширения, которая обеспечивает возможность совпадений максимального давления расширения с соответствующим углом поворота коленчатого вала, обеспечивающим достаточно большое тангенциальное усилие, в еще большей степени увеличивающее общий коэффициент полезного действия данного типа.

Однако в процессе функционирования такого двигателя в условиях города, в частности в случае его использования на транспортных средствах, он продолжает потреблять топливо, вследствие чего, хотя и в значительно уменьшенных количествах, существуют загрязняющие окружающую среду выбросы.

Способ и устройство для устранения загрязнения окружающей среды в соответствии с предлагаемым изобретением позволяют полностью устранить эти загрязняющие газовые выбросы, в частности при движении транспортного средства по городу, когда данный двигатель работает на малой мощности.

Предлагаемый способ отличается тем, что в процессе функционирования двигателя в условиях малой отдаваемой мощности инжектор топлива не приводится в действие и тем, что в этом случае в камеру сгорания двигателя подают при помощи любых подходящих для этого средств и строго после впуска в эту камеру сгорания сжатого воздуха (без топлива), поступающего из компрессора данного двигателя, небольшую дополнительную порцию воздуха, поступающего из внешнего резервуара, в котором этот воздух (или любой другой подходящий газ) содержится под высоким давлением. Это небольшое количество сжатого воздуха, имеющего температуру окружающей среды, будет нагреваться в контакте с массой горячего воздуха, содержащейся в упомянутой камере сгорания, расширяться соответствующим образом и существенно увеличивать давление в этой камере сгорания с тем, чтобы в процессе расширения обеспечить работу данного двигателя с мощностью, достаточной для того, чтобы, например, привести в действие транспортное средство в условиях движения по городу. Регулирование упомянутого небольшого дополнительного количества воздуха, подаваемого в камеру сгорания, будет определять развиваемую данным двигателем мощность при отсутствии загрязнения окружающей среды.

Предлагаемый способ отличается также тем, что при его осуществлении двигатель внутреннего сгорания оборудован специальным компрессором высокого давления, который будет подключаться к данному двигателю при его работе на холостом ходу или при его работе на высокой мощности с использованием топлива для того, чтобы обеспечить возможность подзарядки внешнего резервуара сжатым воздухом при очень высоком давлении, повышая таким образом степень автономности функционирования данного двигателя без загрязнения окружающей среды.

В предлагаемом устройстве, предназначенном для устранения загрязнения окружающей среды двигателем циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания постоянного объема, где упомянутая камера сгорания запитана через буферную емкость сжатым воздухом при практически постоянном давлении при помощи трубопровода, оснащенного заслонкой открытия-закрытия и электромеханическим инжектором топлива, предназначенным для формирования смеси топлива с воздухом непосредственно перед введением этой смеси в камеру сгорания, и где цилиндр расширения оборудован главным поршнем, соединенным при помощи шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала, и вторичным поршнем, установленным напротив главного поршня, причем вторичный поршень выполнен с возможностью приведения в движение с обеспечением сопровождения главного поршня на некоторой части его нисходящего хода и с обеспечением возможности совмещения момента открытия при помощи заслонки канала, который соединяет камеру сгорания двигателя с камерой расширения, в минимальном объеме с углами поворота коленчатого вала и наклона шатуна, которые позволяют обеспечить оптимальное среднее тангенциальное усилие расширения, согласно изобретению, в камеру сгорания встроен электромеханический инжектор воздуха, запитываемый через редуктор от резервуара хранения запаса сжатого воздуха под высоким давлением, причем в режиме функционирования двигателя на малой мощности, например, при использовании оборудованного таким двигателем транспортного средства в городских условиях, инжектор топлива не приводится в действие и после впуска в камеру сгорания порции горячего сжатого воздуха, содержащегося в буферной емкости, приводится в действие инжектор воздуха для того, чтобы подать в камеру сгорания некоторое небольшое количество дополнительного воздуха при температуре окружающей среды, который будет нагреваться в контакте с горячим сжатым воздухом, уже находящимся в камере сгорания, расширяться и повышать давление в этой камере сгорания с тем, чтобы обеспечить возможность работы двигателя, расширяясь в камере расширения после открытия трубопровода, связывающего эту камеру расширения с камерой сгорания.

Резервуар, предназначенный для хранения запаса дополнительного сжатого воздуха, преимущественно содержит отверстие заполнения с обратным клапаном, приспособленное для обеспечения возможности повторной заправки сжатым воздухом или некоторым другим газом под высоким давлением непосредственно на данном транспортном средстве от предназначенного для этого "насоса". Резервуар, предназначенный для хранения запаса дополнительного сжатого воздуха, может также содержать дополнительное отверстие заполнения, запитываемое при помощи установленного на данном транспортном средстве компрессора высокого давления, который будет приводиться в действие при помощи сцепления или любого другого подходящего в данном случае средства при уменьшении скорости движения или торможении данного транспортного средства, улучшая тем самым способность торможения двигателем, а также в том случае, когда данный двигатель работает на высокой мощности при движении данного транспортного средства по загородным трассам, с тем, чтобы повысить реализуемую автономность функционирования двигателя в условиях отсутствия загрязнения окружающей среды.

Таким образом, понятно, что двигатель внутреннего сгорания в соответствии с предлагаемым изобретением, установленный на некотором транспортном средстве, может функционировать, например, в условиях движения этого транспортного средства по городу, развивая относительно небольшую мощность без выброса в атмосферу газов, загрязняющих окружающую среду, и, в случае необходимости, практически мгновенно может быть переведен в режим работы, в котором он развивает высокую мощность, необходимую при движении данного транспортного средства по загородным трассам, после приведения в действие инжектора топлива и отключения инжектора дополнительных порций сжатого воздуха.

Количество дополнительного сжатого воздуха, подаваемого в камеру сгорания данного двигателя, средства подачи этого дополнительного воздуха, способ хранения на данном транспортном средстве запаса сжатого воздуха, используемый для реализации предлагаемого способа газ, средства заполнения емкости для хранения запаса сжатого газа (например, при помощи установленного на данном транспортном средстве компрессора высокого давления, работающего при снижении скорости движения и торможении или при работе двигателя с использованием топлива на загородных трассах и/или при помощи компрессоров, установленных на специально оборудованных станциях обслуживания, или же путем замены израсходованной емкости на другую, снаряженную сжатым газом) могут быть различными, не меняя при этом сам принцип предлагаемого изобретения.

Данное изобретение особенно может применяться для двигателей циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания, имеющей постоянный объем, в частности, устанавливаемых на транспортных средствах, эксплуатируемых в городских условиях, а также для любого другого использования таких двигателей. Это изобретение также может быть применено и на обычных двигателях внутреннего сгорания.

Другие задачи, характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже не являющегося ограничительным примера его практической реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, среди которых
фиг. 1 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе устройства в соответствии с одним из возможных вариантов реализации устройства по данному изобретению, примененного на двигателе внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания, имеющей постоянный объем, в положении верхней мертвой точки главного поршня в конце такта выпуска;
фиг. 2 представляет собой схематический вид того же самого двигателя в начале такта расширения;
фиг. 3 представляет собой структурную схему устройства в соответствии с предлагаемым изобретением установленного на транспортном средстве.

На фиг. 1 и 2 схематически представлен один из возможных вариантов устройства для реализации способа в соответствии с предлагаемым изобретением, примененного на двигателе циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания, имеющей постоянный объем, где камера сгорания 1 запитывается через буферную емкость 2 сжатым воздухом под строго постоянным давлением, причем сама эта буферная емкость запитывается сжатым воздухом от компрессора через трубопровод 3. Трубопровод 4, открытие и закрытие которого управляется при помощи заслонки 5, связывает буферную емкость 2 с независимой камерой сгорания 1 и содержит инжектор 6 топлива, предназначенный для формирования смеси топлива с воздухом непосредственно перед его введением в камеру сгорания 1, где эта смесь будет воспламенена.

Цилиндр расширения 7 оснащен главным поршнем 8, соединенным при помощи шатуна 9 с шатунной шейкой коленчатого вала 10, и противоположным главному вторичным поршнем 11, движение которого в данном случае управляется кулачком 12, который сам приводится в движение коленчатым валом 10, таким образом, чтобы этот вторичный поршень 11 сопровождал главный поршень 8 на некоторой части его нисходящего хода с тем, чтобы обеспечить возможность совмещения давления начала расширения (после открытия канала 14 при помощи заслонки 15, который связывает камеру 1 сгорания с камерой 16 расширения) в некотором минимальном объеме с углами поворота коленчатого вала и наклона шатуна, которые позволяют обеспечить оптимальную величину среднего тангенциального усилия расширения.

В соответствии с предлагаемым изобретением инжектор 22 дополнительного сжатого воздуха встроен в камеру 1 сгорания и запитывается через редуктор или редукционный клапан от резервуара в виде баллона 23 хранения запаса сжатого воздуха (или любого другого подходящего в данном случае газа) под высоким давлением.

В соответствии с предлагаемым изобретением при функционировании двигателя на малой мощности в том случае, когда этот двигатель находится в положении верхней мертвой точки цилиндра расширения, как это схематически показано на фиг. 1, камера 1 сгорания только что была изолирована и содержит определенную массу горячего сжатого воздуха без топлива, поскольку инжектор 6 топлива не был приведен в действие. В этот момент инжектор 22 дополнительного сжатого воздуха открывается и вводит в камеру сгорания небольшое количество дополнительного воздуха, поступающего из баллона 23 хранения запаса этого воздуха под высоким давлением. При этом давление вводимой в камеру сгорания порции дополнительного воздуха доведено до уровня, слегка превышающего давление, которое имеет место внутри камеры 1 сгорания, для того, чтобы обеспечить возможность его введения в эту камеру.

Эта масса дополнительного воздуха нагревается в контакте с горячим сжатым воздухом, содержащимся в камере 1 сгорания, расширяется в ней и существенно повышает исходное давление с тем, чтобы обеспечить возможность выполнения механической работы после открытия, как это схематически показано на фиг. 2, канала 14, расширяясь в упомянутой камере расширения. Для обеспечения высокого коэффициента полезного действия представленной двигательной установки количество этого дополнительного воздуха должно быть очень небольшим и будет определять развиваемую двигателем механическую мощность.

Средства инжектирования дополнительно сжатого воздуха в камеру сгорания могут быть различными, не меняя при этом существа данного изобретения. Однако в предпочтительном варианте реализации используют электромеханический инжектор, по конструкции аналогичный инжекторам топлива. Инжекторы этого типа имеют удобное управление, в частности по расходу, которое осуществляется бортовой электронной схемой данного транспортного средства.

На фиг. 3 представлена структурная схема смонтированной на транспортном средстве двигательной установки, реализующей способ в соответствии с предлагаемым изобретением. В этой установке резервуар 23А для хранения запаса дополнительного сжатого воздуха под большим давлением оснащен, с одной стороны, отверстием 24 заполнения "от насоса", а также вспомогательным отверстием 25 заполнения, запитываемым при помощи установленного на данном транспортном средстве небольшого компрессора 26 высокого давления, который приводится в действие при помощи системы 27 сцепления при снижении скорости транспортного средства и при торможениях, позволяя таким образом обеспечить торможение данного транспортного средства двигателем, а также при работе двигателя на высокой мощности во внегородских условиях (на трассе). Такая конструкция установки обладает преимуществом значительного повышения автономности двигателя при его функционировании в условиях отсутствия загрязнения окружающей среды.

Само собой разумеется, что конструкции резервуара для хранения запаса сжатого воздуха под высоким давлением, инжектора воздуха в камеру сгорания, компрессора высокого давления, системы привода этого компрессора, клапанов заполнения упомянутого резервуара и других обратных клапанов могут быть различными, не меняя при этом существа данного изобретения, которое совершенно не ограничивается описанным и графически представленными здесь вариантами его практической реализации. Данное изобретение может иметь многочисленные, не выходящие за его рамки варианты реализации, доступные специалистам в данной области техники, в зависимости от рассматриваемого в данном случае применения.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Способ устранения загрязнения окружающей среды двигателем циклического внутреннего сгорания с независимой камерой (1) сгорания постоянного объема, в котором камера сжатия, камера сгорания и камера (16) расширения представляют собой три отдельные и полностью независимые друг от друга части, приспособленные каждая к оптимальному выполнению соответствующей функции без взаимного влияния этих элементов друг на друга, состоит в том, что в процессе функционирования двигателя на малой мощности инжектор (6) топлива перекрывают при заполнении камеры (1) сгорания постоянного объема и в каждом при высокой температуре, вводят в камеру (1) сгорания строго после впуска в нее сжатого воздуха, поступающего от компрессора (26) двигателя, небольшое количество дополнительного воздуха, поступающего из внешнего резервуара (23А), где этот воздух хранится под высоким давлением и при температуре окружающей среды. Обеспечивают нагревание этого небольшого количества дополнительного воздуха за счет контакта с горячим сжатым воздухом, уже содержащимся в камере (1) сгорания, его расширение и существенное повышение давления в камере (1) сгорания с обеспечением в процессе расширения работ данного двигателя с достаточной мощностью. 2 с.и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ устранения загрязнения окружающей среды двигателем циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания постоянного объема, в котором камера сжатия, камера сгорания и камера расширения представляют собой три отдельных и полностью независимых друг от друга части, приспособленные каждая к оптимальному выполнению соответствующей функции без взаимного влияния этих элементов друг на друга, где сгорание топлива осуществляется в независимой изолированной камере постоянного объема, которая также может быть оборудована системой управления расширением, позволяющей повысить коэффициент полезного действия данного двигателя, отличающийся тем, что в процессе функционирования упомянутого двигателя на малой мощности, например, при движении оборудованного таким двигателем транспортного средства в городских условиях, инжектор топлива перекрывают при заполнении камеры сгорания постоянного объема и в каждом цикле обеспечивают заполнение камеры чистым сжатым воздухом при высокой температуре, вводят при помощи любых подходящих средств в камеру сгорания строго после впуска в нее сжатого воздуха, поступающего от компрессора двигателя, небольшое количество дополнительного воздуха или любого другого подходящего в данном случае газа, поступающего из внешнего резервуара, в котором хранится запас этого воздуха или любого другого газа под высоким давлением и при температуре окружающей среды, давление которого поддерживают на уровне, немного превышающем давление, которое имеет место в камере сгорания, для обеспечения возможности введения этого дополнительного воздуха, обеспечивают нагревание этого небольшого количества дополнительного воздуха за счет контакта с горячим сжатым воздухом, уже содержащимся в камере сгорания, его расширение и существенное повышение давления, в камере сгорания, для обеспечения работы данного двигателя с достаточной мощностью в процессе расширения. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что двигатель оборудуют дополнительным компрессором высокого давления, который подсоединяют в случае, когда данный двигатель работает на холостом ходу или когда происходит торможение данного транспортного средства, а также при работе данного двигателя на высокой мощности, когда приводят в действие инжектор топлива, позволяя тем самым существенно повысить автономность функционирования двигателя в условиях отсутствия загрязнения окружающей среды. 3. Устройство, предназначенное для устранения загрязнения окружающей среды двигателем циклического внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания постоянного объема, где упомянутая камера сгорания запитана через буферную емкость сжатым воздухом при практически постоянном давлении при помощи трубопровода, оснащенного заслонкой открытия-закрытия и электромеханическим инжектором топлива, предназначенным для формирования смеси топлива с воздухом непосредственно перед введением этой смеси в камеру сгорания, и где цилиндр расширения оборудован главным поршнем, соединенным при помощи шатуна с шатунной шейкой коленчатого вала, и вторичным поршнем, установленным напротив главного поршня, причем вторичный поршень выполнен с возможностью приведения в движение с обеспечением сопровождения упомянутого главного поршня на некоторой части его нисходящего хода и с обеспечением возможности совмещения момента открытия при помощи заслонки канала, который соединяет камеру сгорания двигателя с камерой расширения, в минимальном объеме с углами поворота коленчатого вала и наклона шатуна, которые позволяют обеспечить оптимальное среднее тангенциальное усилие расширения, отличающееся тем, что в камеру сгорания встроен электромеханический инжектор воздуха, запитываемый через редуктор от резервуара хранения запаса сжатого воздуха под высоким давлением, причем в режиме функционирования двигателя на малой мощности, например, при использовании оборудованного таким двигателем транспортного средства в городских условиях, инжектор топлива не приводится в действие и после впуска в камеру сгорания порции горячего сжатого воздуха, содержащегося в упомянутой буферной емкости, приводится в действие упомянутый инжектор воздуха для того, чтобы подать в камеру сгорания некоторое небольшое количество дополнительного воздуха при температуре окружающей среды, который будет нагреваться в контакте с горячим сжатым воздухом, уже находящимся в камере сгорания, расширяться и повышать давление в этой камере сгорания с тем, чтобы обеспечить возможность работы двигателя, расширяясь в камере расширения после открытия трубопровода, связывающего эту камеру расширения с упомянутой камерой сгорания. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что резервуар, предназначенный для хранения запаса дополнительного сжатого воздуха, содержит отверстие заполнения с обратным клапаном, приспособленное для обеспечения возможности повторной заправки сжатым воздухом или некоторым другим газом под высоким давлением непосредственно на данном транспортном средстве от предназначенного для этого "насоса". 5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что резервуар, предназначенный для хранения запаса дополнительного сжатого воздуха, содержит дополнительное отверстие заполнения, запитываемое при помощи установленного на данном транспортном средстве компрессора высокого давления, который будет приводиться в действие при помощи сцепления или любого другого подходящего в данном случае средства при уменьшении скорости движения или торможении данного транспортного средства, улучшая тем самым способность торможения двигателем, а также в том случае, когда данный двигатель работает на высокой мощности при движении данного транспортного средства по загородным трассам, с тем, чтобы повысить реализуемую автономность функционирования двигателя в условиях отсутствия загрязнения окружающей среды. 6. Способ устранения загрязнения окружающей среды двигателем внутреннего сгорания, отличающийся тем, что в процессе функционирования данного двигателя в режиме малой отдаваемой мощности инжектор топлива перекрывают и в камеру сгорания двигателя вводят при помощи любых подходящих для этого средств и строго после впуска в эту камеру сгорания горячего сжатого воздуха без топлива, полученного после цикла сжатия данного двигателя, небольшое дополнительное количество сжатого воздуха или любого другого подходящего газа, поступающего из некоторого внешнего резервуара, в котором запас этого воздуха или любого другого подходящего газа хранится под высоким давлением при температуре окружающей среды, причем упомянутая небольшая дополнительная порция воздуха или любого другого газа нагревается в контакте с массой горячего воздуха, уже содержащегося в камере сгорания, расширяется и существенным образом повышает давление в этой камере сгорания с тем, чтобы при расширении обеспечить возможность работы данного двигателя с мощностью, достаточной для приведения в движение некоторого транспортного средства, например, в условиях езды по городу.