СПОСОБ РАБОТЫ АДАПТИРУЕМОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2001 года по МПК F02B41/06 F02B47/08 F02D15/04 

Изобретение относится к области машиностроения и может найти применение при проектировании двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания из патента Российской Федерации N 2053389, опубл. 1996 г., осуществляемый путем впуска свежего заряда в рабочий цилиндр, сжатия заряда, воспламенения от искры при движении поршня к верхней мертвой точке, горения и перепуска части газов в расширительный цилиндр, расширения продуктов сгорания в цилиндрах, выпуска отработавших газов, при этом момент перепуска совпадает с моментом прихода поршня расширительного цилиндра в верхнюю мертвую точку, поршень рабочего цилиндра в этот момент приближается к верхней мертвой точке. В этом способе объем сжатия свежего заряда и объем расширения продуктов сгорания являются постоянными величинами.

Известны конструкции двигателей внутреннего сгорания, которые в отличие от двигателей традиционных конструкций, выполняющих процессы всасывания, сжатия, расширения и выпуска в одном и том же цилиндре, содержат отдельные элементы, разделенные по функциональному назначению, например отдельный компрессор для всасывания и сжатия, отдельную камеру сгорания, отдельную камеру расширения и т.д.

Наиболее близким техническим решением к заявленному изобретению и принятым в качестве прототипа является способ работы двигателя внутреннего сгорания раскрытый в авторском свидетельстве СССР N 1002631, опубл. 1983 г.

В этом двигателе выполняют процесс всасывания и начального сжатия топливовоздушной смеси в первой ступени сжатия, для чего используют отдельный цилиндр с поршнем, используя отдельный цилиндр с поршнем - вторую ступень сжатия, сжимают полученную от первой ступени порцию топливовоздушной смеси до заданного объема и поджигают при помощи источника воспламенения, установленного в головке цилиндра второй ступени, выполняют рабочий ход двигателя, расширяя в отдельном цилиндре продукты сгорания, для передачи сжатой топливовоздушной смеси из цилиндра первой ступени в цилиндр второй ступени используют канал перепуска, для разобщения цилиндра второй ступени с цилиндром расширения используют клапан перепуска, для выпуска отработавших газов применяют клапан, установленный в головке цилиндра расширения.

Расширение продуктов сгорания производят до постоянного объема, а схема привода поршня в цилиндре второй ступени позволяет сжигать топливо в камере сгорания постоянного объема.

Общим недостатком известных способов работы двигателей является то, что геометрические параметры протекающих в них процессов, например объемы камер сгорания и объемы расширения продуктов сгорания, являются постоянными величинами, значения которых по тем или иным признакам назначают на стадии проектирования и которые не могут быть изменены в процессе эксплуатации. Эти постоянные величины, будучи оптимальными для одних условий эксплуатации, могут быть неоптимальны для других, например при изменении цикловой подачи топлива, что снижает общий положительный эффект.

Задача изобретения - создать двигатель, способ работы которого предоставляет возможность непосредственно во время эксплуатации регулировать основные параметры протекающих в нем процессов - изменять степень сжатия топливовоздушной смеси, изменять объемы сжатия и расширения, изменять давление выпуска, коэффициент избытка воздуха и т.п.

Такой двигатель легко адаптировать к переменным внешним условиям, изменяя должным образом параметры протекающих в нем процессов непосредственно во время его эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что способ работы двигателя внутреннего сгорания, включает всасывание и начальное сжатие цикловой порции заряда в насосе-дозаторе, перепуск сжатого заряда из насоса-дозатора в рабочий цилиндр через открытый впускной орган, установленный между рабочим цилиндром и насосом-дозатором, окончательное сжатие заряда в рабочем цилиндре, воспламенение топлива в рабочем цилиндре, вытеснение продуктов сгорания из рабочего цилиндра в расширительный цилиндр через открытый перепускной запорный орган, установленный между рабочим и расширительным цилиндрами, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре с совершением полезной работы и частичное удаление отработавших газов из расширительного цилиндра через открытый выпускной запорный орган расширительного цилиндра. Согласно изобретению в двигателе в зависимости от величины цикловой подачи топлива осуществляют синхронные изменения объема сжатия рабочего заряда путем изменения угла сдвига по фазе поршня рабочего цилиндра относительно поршня расширительного цилиндра, момента начала закрытия впускного органа, момента начала открытия перепускного запорного органа и момента открытия и закрытия выпускного запорного органа, причем в расширительном цилиндре проводят сжатие части отработавших газов и их смешение с продуктами сгорания рабочего цилиндра.

Кроме того, отработавшие газы обогащают кислородом путем продувки расширительного цилиндра воздухом от воздушного насоса и производят регулировку момента начала открытия и закрытия впускного органа, установленного между расширительным цилиндром и воздушным насосом.

На фиг. 1 показан продольный разрез двигателя,
на фиг. 2 - крайнее левое положение блока косозубых шестерен в устройстве сдвига фазы вращающихся валов,
на фиг. 3 - среднее положение блока косозубых шестерен в устройстве сдвига фазы вращающихся валов,
на фиг. 4 - крайнее правое положение блока косозубых шестерен в устройстве сдвига фазы вращающихся валов,
на фиг. 5 - разрез рабочего цилиндра двигателя,
на фиг. 6 - разрез расширительного цилиндра двигателя.

Адаптируемый двигатель внутреннего сгорания, в котором реализуется этот способ, содержит (см. схему на фиг. 1) соединенные между собою каналами (соединительные каналы показаны пунктирными линиями, запорные органы на фиг. 1 не показаны): воздушный насос 1 с запорными органами, насос-дозатор 6 топливовоздушной смеси с впускными и выпускными запорными органами, расширительный цилиндр 3 с поршнем 2, коленчатым валом 8 и с впускными и выпускными запорными органами, рабочий цилиндр 4 с поршнем 5, отдельным коленчатым валом 7 и с впускными и перепускным запорными органами.

Для воздействия на параметры процессов двигателя в его состав включено устройства сдвига фазы вращающихся валов (УСФВВ), а управление фазами газораспределения производят при помощи впускных и выпускных органов различной конструкции, например при помощи устройств изменения начала и продолжительности срабатывания запорных органов (УИНПСЗО), основанных на применении клапанов с электромагнитным приводом.

С помощью устройства УСФВВ между двумя валами устанавливают кинематическую связь, позволяющую при равных скоростях вращения этих валов сдвинуть фазу вращения одного вала по отношению к фазе вращения другого вала, т.е. изменить угол поворота одного вала относительно угла поворота другого вала. Это устройство может быть выполнено, например, по схеме, предложенной в заявке PCT N 94/21905 опубл. 1994 г., либо по схеме, представленной на фиг. 2 - 4, иллюстрирующих вариант выполнения устройства сдвига фазы вращения отдельного коленчатого вала рабочего цилиндра по отношению к фазе вращения коленчатого вала расширительного цилиндра двигателя.

Две косозубые цилиндрические шестерни - ведомая - 9 и ведущая - 10 имеют различные углы наклона bw1 и bw2 линий зубьев по отношению к осям вращения коленчатых валов 7 и 8. Шестерни 9 и 10 находятся между собой в зацеплении с помощью блока косозубых цилиндрических шестерен 11, имеющего ось вращения 12. Блок шестерен 11 установлен на оси вращения 12 с возможностью поступательного перемещения вдоль этой оси. При фиксированном положении блока шестерен 11 на оси вращения 12 угловые скорости вращения шестерен 9 и 10 равны.

В устройствах сдвига фазы УСФВВ по этому варианту применяют шестерни 9 и 10, для которых выполнено неравенство углов bw1 ≠ bw2, поэтому во время передвижения блока шестерен 11 вдоль оси вращения 12 в зависимости от соотношения углов bw1 и bw2 происходит либо увеличение, либо уменьшение угловой скорости вращения ведомой шестерни 9 относительно скорости вращения ведущей шестерни 10.

В рассматриваемом варианте шестерни 9 и 10 связаны с коленчатыми валами 7 и 8 рабочего цилиндра 4 и расширительного цилиндра 3 соответственно, а передвижение блока шестерен 11 производят по соответствующему алгоритму, учитывающему, например, текущее значение цикловой подачи топлива. Такая связь приводит к синхронному с изменением величины цикловой подачи топлива изменению фазы вращения коленчатого вала 7 рабочего цилиндра 4 по отношению к фазе вращения коленчатого вала 8 расширительного цилиндра 3. При фиксации линейного передвижения блока шестерен 11 фиксируется также и новая фаза вращения, т. е. новый угол разворота коленчатого вала 7 относительно коленчатого вала 8. При этом коленчатый вал 7 по-прежнему продолжает вращаться с той же угловой скоростью, что и коленчатый вал 8. Эти моменты показаны на фиг. 2-4: среднее положение блока шестерен 11 - фиг. 3, смещение блока шестерен 11 влево или вправо - фиг. 2 и 4.

Устройство рабочего цилиндра и его органов показано на фиг. 5. Поршень 5 рабочего цилиндра 4 соединен с отдельным коленчатым валом 7 шатуном 17. В головке рабочего цилиндра 4 установлены запорные органы - поворотный золотник 14, являющийся перепускным запорным органом и установленный между рабочим цилиндром 4 и расширительным цилиндром 3, и клапан 15, являющийся впускным запорным органом и установленный между рабочим цилиндром 4 и насосом-дозатором 6. При помощи золотника 14 и клапана 15 объем над поршнем 5 может быть соединен с выпускным каналом 13 и (или) впускным каналом 16. Дополнительно в головке рабочего цилиндра установлена свеча зажигания, не показанная на фиг. 5. По форме поршень 5 рабочего цилиндра 4 выполнен с выемкой под золотник так, чтобы в верхней мертвой точке объем надпоршневого пространства нагнетателя был близок к нулю.

Устройство расширительного цилиндра и его органов показано на фиг. 6.

Поршень 2 расширительного цилиндра 3 соединен с коленчатым валом 8 шатуном 18. В головке расширительного цилиндра 3 установлены - впускной клапан 20 продувочного воздуха, являющийся впускным запорным органом, установленный между расширительным цилиндром и воздушным насосом 1, и выпускной клапан 21, являющийся выпускным запорным органом расширительного цилиндра, при помощи которых объем над поршнем 2 может быть соединен с каналом 19 для впуска воздуха продувки и(или) с выпускным каналом 22. При открытом золотнике 14 (перепускном запорном органе) в надпоршневой объем расширительного цилиндра 3 по каналу 13 из рабочего цилиндра 4 поступают продукты сгорания топливовоздушной смеси.

Возможность реализации заявленного способа показана на примере работы адаптируемого двигателя.

При вращении коленчатого вала 8 двигателя в цилиндре насоса-дозатора 6 создается разряжение, благодаря которому топливовоздушная смесь засасывается внутрь цилиндра насоса-дозатора. Величину порции топливовоздушной смеси (ТВС) - V_ЦПТВС (т.е. объем цикловой подачи топливовоздушной смеси, приведенный к атмосферному давлению и установленный в соответствии с необходимым вращающим моментом двигателя) регулируют с помощью дроссельной заслонки или соответствующими запорными органами на входе в насос-дозатор 6, которые на фиг. 1 не показаны. При дальнейшем вращении коленчатого вала 8 двигателя всосанную порцию ТВС предварительно сжимают в насосе-дозаторе 6 и через выпускные клапаны насоса-дозатора 6 направляют во впускной канал 16 рабочего цилиндра 4. Таким образом осуществляется всасывание и начальное сжатие цикловой порции заряда - ТВС в насосе-дозаторе 6. Из впускного канала 16 цикловая порция топливовоздушной смеси через открытый впускной клапан 15 (впускной запорный орган между рабочим цилиндром и насосом-дозатором) поступает в рабочий цилиндр, осуществляя тем самым перепуск сжатого заряда из насоса-дозатора 6 в рабочий цилиндр 4, где происходит окончательное сжатие заряда ТВС до объема V_НТ (т.е. объема, заключенного между днищем поршня 5 и головкой рабочего цилиндра 4 в момент времени, соответствующий положению поршня 2 расширительного цилиндра 3 в верхней мертвой точке). В момент времени, соответствующий достижению равенства V_НТ = V_ЦПТВС/к, где к - допустимая степень сжатия для применяемого вида топлива, подают напряжение на свечу зажигания, осуществляя тем самым воспламенение топлива в рабочем цилиндре 4, при этом золотником 14 открывают канал 13 для вытеснения продуктов сгорания из рабочего цилиндра 4 в расширительный цилиндр 3, поршень 2 которого находится в верхней мертвой точке. Этот прием (выбор момента времени подачи напряжения и поворота золотника) эквивалентен применению камеры сгорания переменного объема, заданным образом зависящего от величины V_ЦПТВС. Продукты сгорания ТВС рабочего цилиндра 4 смешиваются со сжатыми остаточными газами расширительного цилиндра 3 и при дальнейшем вращении коленчатых валов 7 и 8 двигателя вытесняются из рабочего цилиндра 4 по перепускному каналу 13 в расширительный цилиндр 3, где происходит расширение продуктов сгорания и рабочий ход с выполнением полезной работы.

При движении поршня 2 от нижней мертвой точки до верхней в расширительном цилиндре 3 происходят следующие процессы:
- при открытом выпускном клапане 21 (выпускном запорном органе расширительного цилиндра) - частичное удаление отработавших газов из расширительного цилиндра;
- при открытом впускном клапане 20 продувочного воздуха (впускном органе, установленном между расширительным цилиндром и воздушным насосом) - продувка цилиндра зарядом свежего воздуха и обогащение кислородом отработавших газов;
- при закрытых клапанах 20 и 21 - сжатие смеси отработавших газов со свежим воздухом.

Для адаптации к переменным внешним условиям в зависимости от нагрузки, режима работы двигателя, числа оборотов, вида применяемого топлива и т.д. возникает необходимость изменить должным образом параметры протекающих в двигателе процессов непосредственно во время его эксплуатации, в частности возникает необходимость изменить цикловую подачу топлива.

В зависимости от величины цикловой подачи топлива осуществляют изменение объема сжатия рабочего заряда, путем изменения положения верхней мертвой точки поршня 5 рабочего цилиндра 4 относительно верхней мертвой точки поршня 2 расширительного цилиндра 3. Эта операция осуществляется путем перемещения блока 11 косозубых шестерен вдоль оси вращения 12, благодаря чему коленчатый вал 7 поршня 5 рабочего цилиндра 4 разворачивается относительно коленчатого вала 8 поршня 2 расширительного цилиндра 3, изменяя тем самым положения верхней мертвой точки поршня 5 рабочего цилиндра 4 относительно верхней мертвой точки поршня 2 расширительного цилиндра 3. При этом синхронно изменяют момент начала открытия перепускного запорного органа (поворотного золотника 14), установленного между рабочим и расширительным цилиндрами 4 и 3, а также синхронно изменяют момент начала закрытия впускного органа (клапана 15), установленного между рабочим цилиндром 4 и насосом-дозатором 6, и момент открытия и закрытия выпускного запорного органа (клапана 21) расширительного цилиндра 3. В расширительном цилиндре 3 также проводят сжатие части отработавших газов и их смешение с продуктами сгорания рабочего цилиндра. Кроме того, отработавшие газы могут быть обогащены воздухом путем продувки расширительного цилиндра 3 воздухом от воздушного насоса 1. В этом случае может быть произведена регулировка момента начала открытия и закрытия впускного органа (клапана 20), установленного между расширительным цилиндром 3 и воздушным насосом 1.

Синхронное изменение момента начала закрытия или открытия запорных органов возможно осуществить, например, с помощью электронного блока управления, подающего синхронизированные сигналы электромагнитным приводам запорных органов
Количественные параметры этих процессов (момент начала и продолжительность срабатывания впускных и выпускных органов расширительного цилиндра) можно устанавливать по соответствующему алгоритму при помощи устройств УСФВВ и УИНПСЗО для каждого значения V_ЦПТВС, исходя, например, из минимума токсичности выпускных газов и/или максимума коэффициента полезного действия (КПД) теплового цикла. Так как сжатые газы расширительного цилиндра 3 при положении его поршня 2 в верхней мертвой точке обогащены кислородом за счет предшествующей продувки воздухом, то коэффициент избытка воздуха смеси газов расширительного цилиндра 3 с газами рабочего цилиндра 4 имеет повышенное значение, что снижает температуру и увеличивает полноту сгорания топливовоздушной смеси.

Для выпускного клапана 21 расширительного цилиндра 3 с учетом величины V_ЦПТВС при помощи устройства УИНПСЗО устанавливают заранее заданные значения сдвига фазы и продолжительности срабатывания, посредством чего достигается процесс регулируемого расширения, который может быть оптимизирован по некоторым критериям. Например, при максимальной величине V_ЦПТВС может быть установлено продолженное расширение с КР > 1, увеличивающее работу теплового цикла, а при минимальных значениях V_ЦПТВС при помощи устройств УСФВВ и УИНПСЗО могут быть уменьшены как объем камеры сгорания, так и значение коэффициента расширения КР, что увеличивает КПД теплового цикла и уменьшает насосные потери за счет возможного "перерасширения" рабочего тела, где КР - коэффициент расширения, определяемый по формуле: КР = V_r/V_ЦПТВС mах, V_r - объем, заключенный между днищем поршня 2 расширительного цилиндра 3 и его головкой в момент времени, соответствующий началу открывания выпускного клапана 21 расширительного цилиндра 3, а V_ЦПТВС max - максимальное значение цикловой порции ТВС.

Изобретение может быть использовано при проектировании двигателей внутреннего сгорания. Способ работы двигателя внутреннего сгорания включает всасывание и начальное сжатие цикловой порции заряда в насосе-дозаторе, перепуск сжатого заряда из насоса-дозатора в рабочий цилиндр через открытый впускной орган, установленный между рабочим цилиндром и насосом-дозатором, окончательное сжатие заряда в рабочем цилиндре, воспламенение топлива в рабочем цилиндре, вытеснение продуктов сгорания из рабочего цилиндра в расширительный цилиндр через открытый перепускной запорный орган, установленный между рабочим и расширительным цилиндрами. Расширение продуктов сгорания осуществляется в расширительном цилиндре с совершением полезной работы. Частичное удаление отработавших газов из расширительного цилиндра осуществляется через открытый выпускной запорный орган расширительного цилиндра. В зависимости от величины цикловой подачи топлива осуществляют изменение объема сжатия рабочего заряда путем изменения угла сдвига по фазе поршня рабочего цилиндра относительно поршня расширительного цилиндра. Одновременно осуществляют синхронные изменения момента начала закрытия впускного органа, момента начала открытия перепускного запорного органа и момента открытия и закрытия выпускного запорного органа. В расширительном цилиндре проводят сжатие части отработавших газов и их смешение с продуктами сгорания рабочего цилиндра. Отработавшие газы обогащают кислородом путем продувки расширительного цилиндра воздухом от воздушного насоса. Технический результат заключается в возможности во время эксплуатации двигателя регулировать его основные параметры - степень сжатия топливовоздушной смеси, объемы сжатия и расширения, давление выпуска, коэффициент избытка воздуха. 1 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий всасывание и начальное сжатие цикловой порции заряда в насосе-дозаторе, перепуск сжатого заряда из насоса-дозатора в рабочий цилиндр через открытый впускной орган, установленный между рабочим цилиндром и насосом-дозатором, окончательное сжатие заряда в рабочем цилиндре, воспламенение топлива в рабочем цилиндре, вытеснение продуктов сгорания из рабочего цилиндра в расширительный цилиндр через открытый перепускной запорный орган, установленный между рабочим и расширительным цилиндрами, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре с совершением полезной работы и частичное удаление отработавших газов из расширительного цилиндра через открытый выпускной запорный орган расширительного цилиндра, отличающийся тем, что в двигателе в зависимости от величины цикловой подачи топлива осуществляют синхронные изменения: объема сжатия рабочего заряда путем изменения угла сдвига по фазе поршня рабочего цилиндра относительно поршня расширительного цилиндра, момента начала закрытия впускного органа, момента начала открытия перепускного запорного органа и момента открытия и закрытия выпускного запорного органа, причем в расширительном цилиндре проводят сжатие части отработавших газов и их смешение с продуктами сгорания рабочего цилиндра. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отработавшие газы обогащают кислородом путем продувки расширительного цилиндра воздухом от воздушного насоса и производят регулировку момента начала открытия и закрытия впускного органа, установленного между расширительным цилиндром и воздушным насосом.