СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02B41/02 F02G3/02 

Изобретение относится к способу эксплуатации циклического двигателя внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания постоянного объема.

Циклические двигатели внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания и разделенными камерами сжатия и расширения, описанные во французском патенте 2319769 или 2416344, позволяют получить некоторые преимущества по сравнению с обычными двигателями. В двигателе этого типа всасывание и сжатие происходят в камере, управляемой поршнем, а расширение и выпуск происходят в другой камере; независимая камера сгорания соединяется с этими камерами посредством каналов, снабженных заслонками. Тем не менее, переменные объемы этих двух камер циклически управляются по фазе, и время, отведенное на горение и перемещение газов очень короткое, что, как и в обычных двигателях, не позволяет осуществить полное сгорание топливной смеси.

Способ эксплуатации в соответствии с изобретением позволяет исправить этот недостаток и значительно улучшить работу двигателей подобного типа, он отличается тем, что цикл в камере сжатия, состоящий из всасывания и сжатия, происходит с опережением по отношению к циклу в камере расширения, состоящему из расширения и выпуска, таким образом, что можно получить значительно большее, чем в обычных двигателях, время горения. В классических двигателях, а также и в двигателях, описанных в упомянутых выше патентных заявках, горение топливной смеси происходит примерно на 30-40 градусах угла поворота коленчатого вала, в то время как в двигателе в соответствии с изобретением процесс наполнения камеры и горения смеси может продолжаться на протяжении времени, соответствующего углу поворота коленчатого вала, доходящему до 180 градусов (в течение времени выпуска), что, в зависимости от используемого способа наполнения, может соответствовать длительности горения порядка 150 или даже 160 градусов угла поворота коленчатого вала. С другой стороны, для того, чтобы избежать потерь тепла через стенки во время столь долгого времени горения, камера покрывается или может быть покрыта термоизоляцией из керамики или другого теплоизолирующего материала, так что ее стенки могут быть очень горячими, из тех же соображений желательно, чтобы стенки камеры расширения (головка поршня, свод камеры, перепускной канал и т. д. ) тоже были покрыты термоизоляцией из керамики или другого теплоизолирующего материала.

Из всего вышеизложенного становится понятным способ эксплуатации двигателя в соответствии с изобретением и те преимущества, которыми он обладает как по сравнению с обычным двигателем, так и по сравнению с двигателями, описанными в названном патенте. В частности, циклическая зависимость камер сжатия и расширения, как и термическая изоляция камеры сгорания и/или камеры расширения позволяют получить без больших тепловых потерь время горения в 3-4 раза большее, чем в классических двигателях, и поднять тем самым КПД, к тому же становится возможным, основываясь на этих преимуществах, создать камеру сгорания, которая в принципе не зависит от диаметра поршня, и добиться того, чтобы она по форме приближалась к сфере или была идеально круглой, без неровностей или "закоулков", в которых газы не сгорают, и которые являются источниками несгоревших углеводородов.

Совокупность этих преимуществ, а именно большое время горения, камера сгорания компактной формы, близкой к сферической, без неровностей и закоулков, с горячими стенками, позволяет получить выхлопные газы, которые загрязняют окружающую среду гораздо меньше, чем выхлопные газы обычных двигателей.

В другом способе осуществления способа эксплуатации в соответствии с изобретением можно установить между камерой сжатия и камерой сгорания буферную емкость со сжатым воздухом, которая позволяет избежать эффекта подсоса, а также падения давления из-за перемещаемого мертвого объема и расширения во время заполнения камеры сгорания.

Тип камеры не имеет значения, поскольку он не влияет на способ согласно изобретению и на практике можно использовать, если это удобно, поршневой компрессор либо любой иной производитель сжатого воздуха - одноступенчатый или многоступенчатый поршневой компрессор, ротационный пластинчатый, шестеренчатый (Roots, Lyshom) или турбокомпрессор, приводимый в действие выхлопными газами. В некоторых случаях применения двигателя для расширения в камере сгорания можно использовать сжатый воздух, содержащийся в баллонах (или других емкостях), а также сжатый воздух, взятый из сети (например, стационарный двигатель, установленный на заводе, где есть сеть сжатого воздуха).

Способ работы камеры расширения также может варьироваться, не влияя на способ эксплуатации согласно изобретения; в зависимости от практической потребности можно использовать либо поршень, скользящий в цилиндре и через шатун приводящий в движение коленчатый вал, либо любую другую вращающуюся систему капсюлирования - ротационную с радиальными лопатками, с поршнем, вращающимся по траектории круговой конхоиды или трохоиды и т. п.

Двигатель в соответствии с изобретением работает на гомогенной воздушно-топливной смеси, и эта смесь может быть приготовлена в карбюраторе до ее поступления в компрессор, но лучше все же использовать систему впрыска (электронную или механическую) между компрессором и камерой сгорания; однако можно использовать и прямой впрыск в камеру сгорания, что, в общем-то, не влияет на принцип действия.

Двигатель в соответствии с изобретением работает также и на неоднородных смесях с самовоспламенением, как это происходит в дизелях. В этом случае свеча зажигания, установленная в камере сгорания, удаляется, а вместо нее устанавливается инжектор прямого впрыска солярки, питаемый от обычного насоса, устанавливаемого на дизельные двигатели.

Впрочем, можно установить, по меньшей мере, две отдельные камеры сгорания, работающие так, как это было описано выше, которые могут питаться одновременно, раздельно или поочередно, с целью увеличения КПД в режиме малых нагрузок, например, при мощностях, меньших половины максимальной мощности двигателя, используется одна камера, в остальных случаях - обе камеры.

Сущность изобретения, его характеристики и преимущества поясняются при рассмотрении описания нескольких способов его осуществления и чертежей, где
на фиг. 1 схематически представлен в поперечном разрезе один из способов осуществления изобретения, в котором камеры сжатия и расширения управляются каждая кривошипно-шатунным механизмом с поршнем, скользящим внутри цилиндра;
на фиг. 2 представлен тот же двигатель после поступления топливной смеси в камеру сгорания;
на фиг. 3 представлен тот же двигатель в момент перехода газов из камеры сгорания в камеру расширения;
на фиг. 4 представлен тот же двигатель в процессе выпуска и сжатия;
на фиг. 5 представлен в поперечном разрезе другой способ эксплуатации в момент поступления сжатой топливо-воздушной смеси в камеру сгорания, где между компрессором и камерой сгорания установлена буферная емкость для аккумулирования сжатого воздуха;
на фиг. 6 представлен тот же двигатель в процессе сгорания топлива;
на фиг. 7 представлен тот же двигатель в начале процесса расширения;
на фиг. 8 представлен тот же двигатель в конце процесса расширения;
на фиг. 9 представлен поперечный разрез другого способа осуществления изобретения, при котором процесс расширения происходит в ротационной системе с радиальными пластинами.

На фиг. 1 по 4 представлен в поперечном разрезе способ эксплуатации двигателя в соответствии с изобретением, в котором камеры сжатия и расширения управляются каждая системой с кривошипно-шатунным механизмом и поршнем, скользящим в цилиндре, где можно видеть камеру сжатия 1, независимую камеру сгорания постоянного объема 2, в которой установлена свеча зажигания 3, и камеру расширения 4. Камера сжатия 1 соединяется с камерой сгорания 2 каналом 5, открытие и закрытие которого осуществляется с помощью герметичной заслонки 6. Камера сгорания 2 соединяется с камерой расширения 4 переходным каналом 7, открытие и закрытие которого осуществляется с помощью герметичной заслонки 8.

Камера сжатия получает сжатый воздух от классического поршневого компрессора: поршень 9, скользящий в цилиндре 10, приводимый в движение с помощью шатуна 11 и коленчатого вала 12. Свежая топливная смесь поступает через впускной канал 13, открытием которого управляет клапан 14.

Камера расширения 4 приводит в действие классический поршневой двигатель: поршень 15, скользящий в цилиндре 16, который через шатун 17 приводит во вращение коленчатый вал 18, а удаление отработавших газов происходит через выпускной канал 19, открытием которого управляет клапан 20.

Коленчатый вал 18 посредством элемента связи 21 приводит во вращение с той же скоростью компрессор, однако между моментом достижения верхней мертвой точки поршнями камеры расширения и компрессора имеется угловое смещение, причем последний имеет угловое опережение, величина которого выбирается в зависимости от желаемого времени горения.

На фиг. 1 двигатель представлен в тот момент, когда поршень компрессора 9 близок к своей верхней мертвой точке, заслонка 6 только что открылась, чтобы позволить свежей топливной смеси проникнуть в камеру сгорания постоянного объема 2, а поршень 15 камеры расширения 4 через выпускной канал 19 при открытом клапане 20 выталкивает газы, отработавшие и расширившиеся во время предыдущего цикла.

Когда коленчатый вал продолжает вращение по часовой стрелке, то, как это показано на фиг. 2, поршень компрессора 9 выходит из верхней мертвой точки и движется вниз: заслонка 6 только что закрылась и перекрыла канал 5, впускной клапан 14 открывается, чтобы впустить в компрессор свежую топливную смесь (впуск). После закрытия заслонки 6 с помощью свечи зажигания 3 производят воспламенение и сжигание топливной смеси в независимой камере сгорания постоянного объема 2, в то время как поршень 15 камеры расширения продолжает двигаться вверх, обеспечивая выпуск через канал 19.

По мере вращения коленчатых валов 12 и 18 (здесь они представлены на 100 градусов позднее) поршень 15 приходит в свою верхнюю мертвую точку, выпускной клапан 20 закрывается, дается команда на открытие герметичной задвижки 8; газы, содержащиеся под очень высоким давлением в независимой камере сгорания 2, через переходный канал 7 попадают в камеру расширения 4 и толкают поршень 15, осуществляя таким образом рабочий ход, в то время как поршень 9 компрессора завершает впуск свежей топливной смеси.

Расширение продолжается примерно на протяжении 180 градусов врашения коленчатого вала, на фиг. 4 герметическая заслонка 8 вновь закрывается, а выпускной клапан 20 открывается, в то время как поршень 9 компрессора начинает сжимать топливную смесь в камере сжатия 1, и собираются открыть заслонку 6 для того, чтобы впустить в камеру постоянного объема 2 новую порцию свежей топливной смеси и повторить цикл (фиг. 1).

Легко заметить, что каждому обороту коленчатого вала (двигателя и компрессора) соответствует одно расширение (или рабочий ход) и что выбор величины опережения между мертвой точкой поршня 9 компрессора и мертвой точкой поршня 15 камеры расширения определяет время горения топливной смеси в камере сгорания постоянного объема 2.

С другой стороны, объем, перемещаемый поршнем 15 камеры расширения, может быть больше, чем объем, перемещаемый компрессором 9. Эта разница может быть определена по разнице политропических кривых сжатия и расширения с целью добиться минимальной величины давления в конце такта расширения, что является залогом хорошего КПД и бесшумного выхлопа.

На фиг. 5, 6, 7 и 8 представлен в поперечном разрезе другой вариант осуществления двигателя в соответствии с изобретением, в котором между компрессором и камерой сгорания постоянного объема 2 установлена буферная емкость 22 для сжатого воздуха, питаемая от любого источника сжатого воздуха через патрубок 23, в которой поддерживается практически постоянное давление, и которая позволяет избежать эффекта подсоса, а также падения давления из-за перемещаемого мертвого объема и расширения во время заполнения камеры сгорания 2. Канал 5, открытие и закрытие которого осуществляется заслонкой 6, соединяет буферную емкость со сжатым воздухом 22 с независимой камерой сгорания 2 и содержит топливный инжектор 24, предназначенный для смешивания топлива с воздухом непосредственно перед его подачей в камеру сгорания 2. Заслонка 25, встроенная в этот канал, позволяет управлять количеством смеси, подаваемым в камеру сгорания (акселератор).

На фиг. 5 представлен тот момент, когда только что открыли заслонку 6 для того, чтобы через канал 5 впустить в камеру сгорания постоянного объема 2 порцию сжатого воздуха, смешанного с топливом, распыленным инжектором 24, а поршень 15 камеры расширения только начал свой подъем, чтобы через канал 19 (впускной клапан 20 открыт) вытолкнуть в атмосферу отработавшие газы, расширившиеся во время предыдущего цикла, и когда заслонка 8 переходного канала только что закрылась.

Как только топливная смесь попала в независимую камеру сгорания 2, смотри фиг. 6, заслонку 6 закрывают, независимая камера сгорания 2 оказывается изолированной, с помощью свечи 3 топливную смесь воспламеняют, и она сгорает в камере сгорания постоянного объема 2, в то время как поршень 15 камеры расширения продолжает подниматься, осуществляя выпуск через патрубок 19.

Коленчатый вал 18 на фиг. 7 продолжает поворачиваться, поршень 15 камеры расширения достигает своей верхней мертвой точки, выпускной клапан 20 закрывается, поступает команда на открытие герметичной задвижки 8. Газы под высоким давлением, находившиеся в независимой камере сгорания 2, устремляются по каналу 7 в камеру расширения 4 и толкают поршень 15, осуществляя, таким образом, рабочий ход.

Расширение продолжается примерно на 180 градусах поворота коленчатого вала 18, изображенного на фиг. 8, после чего герметичная заслонка 8 вновь закрывается, а выпускной клапан 20 открывается, затем открывают заслонку 6 для того, чтобы впустить в камеру постоянного объема 2 новую порцию свежей топливной смеси и повторить цикл (фигура 5).

Следует заметить, что установка буферной емкости со сжатым воздухом не меняет принцип действия двигателя. К тому же, воздушный компрессор становится полностью независимым, нет больше необходимости в его связи с углом поворота коленчатого вала 18, что облегчает выбор принципа его действия. С другой стороны, чем больше объем этой емкости, тем меньше проявляются эффекты подсоса и падения давления в перемещаемом объеме и при расширении во время наполнения камеры сгорания.

На фиг. 9 представлен способ эксплуатации двигателя в соответствии с изобретением, при котором камера расширения и расширение реализуются в ротационном устройстве с вращающимся капсюлирующим элементом с радиальными пластинами, состоящем из внешнего цилиндрического картера или статора 26, внутри которого вращается на валу со смещенным центром барабан или ротор 27, касающийся статора и снабженный радиальной пластиной 28, которая свободно скользит в желобе 29 и прижимается к внутренней поверхности статора 26, ограничивая таким образом между ней самой, ротором и статором некоторый переменный объем, который возрастает от малой величины, практически равной нулю, которую он имеет в районе образующей, проходящей через точку контакта ротора со статором. Несколько дальше, в направлении вращения ротора, в этой образующей прорезан переходный канал 7, открытие и закрытие которого осуществляется с помощью заслонки 8, установленной между камерой сгорания постоянного объема 2 и камерой расширения. Далее в направлении вращения ротора, но до образующей, проходящей через точку контакта ротора со статором, имеется выпускное отверстие 31. Когда пластина минует канал 7, дается команда на открытие заслонки 8, и газы под очень высоким давлением, находящиеся в камере сгорания 2, проникают в камеру расширения 30 и, действуя на пластину 28, заставляют ротор вращаться, в то время как пластина 28 толкает перед собой к выпускному отверстию 31 отработавшие и расширившиеся газы предыдущего цикла. Когда пластина 28 приблизится к выпускному отверстию 31, в конце такта расширения, закрывается заслонка 8 и открывается заслонка 6, которая впускает в независимую камеру сгорания 2 новую порцию топливной смеси.

Число пластин, их расположение могут быть разными так же, как и сами ротационные системы с капсюлирующими элементами, вращающимися по круговой конхоиде или трохоиде (вращающиеся поршни типа Planche, Wankel и т. п. ), которые могут быть использованы в качестве камеры расширения, не внося изменений в принцип изобретения, описанного выше.

Разумеется, применение изобретения не ограничивается только представленными и описанными выше способами, специалист может найти множество других способов его применения, не выходящих за рамки идеи изобретения.

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Способ эксплуатации двигателя внутреннего сгорания с независимой камерой сгорания постоянного объема, в котором для каждого цилиндра или рабочего элемента камеры сгорания, камера сжатия и камера расширения представляют собой три отдельных и полностью независимых элемента. Цикл камеры сжатия опережает цикл камеры расширения с тем, чтобы обеспечить значительное увеличение времени горения. Сжатая топливная смесь попадает в камеру сгорания после открытия заслонки, закрывающей канал, соединяющий камеру сжатия с камерой расширения. Как только заслонка закрывается в независимой изолированной камере постоянного объема происходит горение в течение длительного времени. Когда объем камеры расширения достигает своего наименьшего значения, открывается заслонка, установленная в канале, соединяющем камеру сгорания с камерой расширения, и газы под высоким давлением расширяются, толкая поршень, что представляет собой рабочий ход. Изобретение обеспечивает увеличение времени горения и перемещение газов, что улучшает работу двигателя. 4 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ эксплуатации циклического двигателя внутреннего сгорания, содержащего камеру сгорания (2), в которой топливную смесь, сжатую предварительно в камере сжатия (1), воспламеняют для совершения работы вследствие повышения температуры и давления с последующим расширением в камере расширения (4), причем камера сжатия (1), камера сгорания (2) и камера расширения (4) выполнены в виде трех отдельных и независимых элементов, соединенных между собой со стороны камеры сгорания, по меньшей мере, одним каналом (5,7), снабженным заслонкой (6,8), а расширение, при котором совершается работа, производят при открывании канала (7) в камере расширения (4) тогда, когда ее объем близок к минимальному, отличающийся тем, что цикл камеры сжатия опережает цикл камеры расширения, причем это опережение можно довести до 180^o соответствующей регулировкой моментов достижения верхних мертвых точек для достижения сгорания на протяжении длительного времени, которое может быть в 3-4 раза большим, чем в обычном двигателе, на протяжении такта выпуска предыдущего цикла, для улучшения сгорания и уменьшения выделения газов, загрязняющих атмосферу. 2. Способ эксплуатации циклического двигателя внутреннего сгорания по п. 1, отличающийся тем, что форма независимой камеры сгорания (2) выполнена близкой к сферической, которая является идеальной формой, для которой при равном объеме получают минимальную поверхность стенок для уменьшения потерь тепла через стенки и получения минимального расстояния до фронта пламени, а также обеспечения отсутствия "закоулков", в которых топливная смесь не сгорает, а производит несгоревшие углеводороды. 3. Способ эксплуатации циклического двигателя внутреннего сгорания по п. 1 или 2, отличающийся тем, что камера сгорания (2) покрыта термоизоляцией из керамики или другого теплоизолирующего материала для уменьшения потерь тепла через стенки, которые нагревают до очень высокой температуры, вследствие чего пламя не гасится на названных стенках, и в выхлопных газах отсутствует несгоревшие углеводороды. 4. Способ эксплуатации циклического двигателя внутреннего сгорания по любому из пп. 1 - 3, отличающийся тем, что стенки камеры расширения (4) и/или перепускного канала (8) между ней и камерой сгорания (2) покрыты термоизоляцией из керамики или другого теплоизолирующего материала для уменьшения потерь тепла через стенки, которые могут быть нагреты до высокой температуры, что приводит к увеличению коэффициента полезного действия такта расширения. 5. Способ эксплуатации циклического двигателя по одному из пп. 1 - 4, отличающийся тем, что между камерой сжатия (1) (или компрессором) и независимой камерой сгорания (2) установлена буферная емкость (22) для устранения эффекта подсоса, а также падения давления из-за перемещаемого мертвого объема и расширения во время заполнения камеры сгорания, причем в этом случае канал связи (5) с его системой управления открытием и закрытием расположен между буферной емкостью и камерой сгорания.