Изобретение относится к способу получения механической работы при сгорании газа в двигателе внутреннего сгорания посредством нового термодинамического рабочего цикла, а также к поршневым двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом для осуществления указанного способа.
Предпосылки изобретения
Как известно, при повышении степени расширения двигателя внутреннего сгорания увеличивается количество энергии, получаемое при сгорании газов и преобразуемое в кинетическую энергию, и возрастает термодинамическая эффективность двигателя. Известно также, что повышение плотности заряда воздуха вызывает дополнительное улучшение термодинамики, что увеличивает вырабатываемую энергию при экономии топлива. Таким образом, для получения эффективного двигателя необходимо достижение следующих целей: обеспечение значительной плотности заряда, инициирование сгорания при максимальной плотности заряда и осуществление расширения давящих на поршень газов на максимально протяженном участке.
В известных двигателях степень сжатия равна степени расширения, причем в двигателях с зажиганием от искры степень сжатия ограничена октановым числом применяемого топлива. Однако ввиду того, что в таких двигателях расширение выхлопного газа может происходить только до величины, равной степени сжатия данного двигателя, выхлопной газ, сбрасываемый в атмосферу при открытии выпускного клапана в цилиндре сгорания, как правило еще обладает значительной температурой и давлением, что приводит к потерям энергии и чрезмерно большим загрязняющим выбросам.
Известны решения, направленные на понижение степени сжатия и удлинение процесса расширения в двигателях внутреннего сгорания для повышения их термодинамической эффективности. Наиболее заметным из них является двигатель, работающий по циклу Миллера, разработанный в 1947 году.
В отличие от известного четырехтактного двигателя, в котором в каждом конкретном цикле сгорания степень сжатия равна степени расширения, в двигателе, работающем по циклу Миллера, это равенство преднамеренно нарушено. В цикле Миллера для подачи заряда воздуха применяют дополнительный компрессор, поступление заряда происходит при ходе впуска поршня, а последующее закрытие впускного клапана происходит прежде чем поршень достигает конца хода впуска. От этой точки происходит расширение газов в цилиндре до максимального объема цилиндра, после чего осуществляется их сжатие от той же точки, что и в нормальном цикле. В этом случае степень сжатия задана объемом цилиндра в точке, в которой происходит закрытие впускного клапана, поделенным на объем камеры сгорания. При ходе сжатия фактическое сжатие не происходит до тех пор, пока поршень не достигнет точки, в которой во время хода впуска закрывается впускной клапан, благодаря чему степень сжатия оказывается ниже нормы. Степень расширения рассчитывают путем деления рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания. В результате получают более полное расширение, так как в таком двигателе степень расширения превышает степень сжатия.
Снижение степени сжатия в двухтактном двигателе, работающем по циклу Миллера, осуществляется благодаря удержанию выпускного клапана открытым приблизительно на протяжении первых 20% хода сжатия. Возможно, в этом случае степень расширения все же ниже, чем степень сжатия, ввиду того, что в известных двухтактных двигателях степень расширения никогда не достигает величины степени сжатия.
Преимуществом этого цикла является возможность достижения более высокого кпд, чем в том случае, когда степень расширения равна степени сжатия. Недостатком цикла Миллера является более низкое среднее эффективное давление по сравнению с известными устройствами, имеющими такое же максимальное давление, при отсутствии существенного улучшения параметров выбросов.
Применение цикла Миллера целесообразно в двигателях, редко работающих при пониженной нагрузке, так как в этом случае среднее давление в цилиндре во время хода расширения стремится к достижению величины среднего давления трения или даже еще меньшей величины. При таких условиях участок более полного расширения цикла может в конечном счете вызвать потери, а не повышение кпд.
Такой тип двигателя может с успехом применяться в тех случаях, когда максимальное давление цилиндра ограничено детонацией или прочностными соображениями и когда считается допустимым получение максимально возможной топливной экономичности ценой снижения удельной мощности. Такой цикл пригоден только для двигателей, работающих большую часть времени в условиях высокой механической эффективности или иными словами при сравнительно малых скоростях поршня и практически при полной нагрузке.
В патенте США 4730457, кл. F 02 В 37/04, 15.03.1988 г., описан двигатель внутреннего сгорания, содержащий блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, впускное окно, осуществляющее связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск воздуха из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; два компрессора, установленные между источником воздуха и впускным окном и сообщающиеся с ними; по меньшей мере один охладитель воздуха; сеть подвода воздуха, содержащую трубопровод, взаимосвязывающий источник воздуха, компрессор, второй компрессор, охладитель воздуха и впускное окно.
В авторском свидетельстве СССР 248375, кл. F 01 В 23/08, F 02 B 37/00, F 02 D 33/02, 10.07.1969 г., описан двигатель внутреннего сгорания, содержащий коленчатый вал, блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна силового цилиндра, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск выхлопных газов из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; компрессор, установленный между источником воздуха и по меньшей мере одним впускным окном силового цилиндра и сообщающийся с ними посредством трубопровода; по меньшей мере один охладитель воздуха, установленный между компрессором и впускным окном и находящийся во взаимосвязи с ними; средства выборочного регулирования работы впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре.
Недостаток указанного двигателя заключается в том, что температура заряда воздуха при ходе сжатия поршня достигает больших величин, что при высоких нагрузках может привести к перегреву двигателя и, как следствие, к уменьшению срока его службы.
В указанном авторском свидетельстве описан также способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий создание заряда воздуха, регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха, передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя, сжатие заряда воздуха, образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива, создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре.
Недостаток указанного способа заключается в том, что температура заряда воздуха при его сжатии в цилиндре двигателя достигает больших величин, что при высоких нагрузках может привести к перегреву двигателя и, как следствие, к уменьшению срока его службы.
Задачей настоящего изобретения является создание двигателя внутреннего сгорания, температура рабочего цикла которого позволяет предотвращать перегрев двигателя при высоких нагрузках и, как следствие, увеличить срок его службы. Задачей настоящего изобретения является также создание способа работы двигателя внутреннего сгорания, при котором температура рабочего цикла позволяет предотвращать перегрев двигателя при высоких нагрузках и, как следствие, увеличить срок его службы.
Краткое описание изобретения
Решение поставленной задачи обеспечено путем создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна силового цилиндра, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск выхлопных газов из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; по меньшей мере один компрессор, установленный между источником воздуха и по меньшей мере одним впускным окном силового цилиндра и сообщающийся с ними посредством трубопровода; по меньшей мере один охладитель воздуха, установленный между компрессором и впускным окном и находящийся во взаимосвязи с ними; средства выборочного регулирования работы компрессора и впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре, так что по меньшей мере часть поступающего воздуха перед поступлением в цилиндр может быть выборочно сжата компрессором; и магистраль низкого давления, подводящую воздух низкого давления к впускному клапану, который перекрывает одно впускное окно и который открывается во время хода впуска поршня, и магистраль высокого давления, подводящую сжатый компрессором воздух к впускному клапану, который перекрывает второе впускное окно и который открывается после прохождения поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия.
Благодаря наличию указанных магистралей в цилиндр двигателя во время хода впуска поршня вводится воздух низкого давления, а во время хода сжатия - воздух высокого давления, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, при этом теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.
В предлагаемом двигателе средства выборочного регулирования могут содержать обычное количество клапанов, стратегически расположенных в указанном трубопроводе, и известный механизм управления двигателя, управляющий работой этих клапанов, а сам двигатель может содержать второй компрессор, установленный между указанным компрессором и впускным окном, с которым сообщается указанный компрессор, и сообщающийся с ними, так что по меньшей мере часть поступающего воздуха перед впуском в цилиндр выборочно сжимается второй раз; причем средства выборочного регулирования могут содержать средства выборочного регулирования работы второго компрессора.
Компрессор может быть выполнен в виде поршневого компрессора, который может содержать поршень, соединенный с коленчатым валом двигателя.
Компрессор может быть также выполнен в виде ротационного компрессора.
Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего блок цилиндров, в котором имеются по меньшей мере один цилиндр, два впускных окна, осуществляющие связь между цилиндром и источником воздуха, и выпускное окно, через которое происходит выпуск воздуха из цилиндра; поршень, установленный в цилиндре с возможностью перемещения; впускной клапан, выборочно перекрывающий каждое впускное окно; выпускной клапан, выборочно перекрывающий выпускное окно; два компрессора, установленные между источником воздуха и одним из впускных окон и сообщающиеся с ними; по меньшей мере один охладитель воздуха; сеть подвода воздуха, содержащая трубопровод, взаимосвязывающий источник воздуха, компрессор, второй компрессор, охладитель воздуха, впускное окно и второе впускное окно; и средства выборочного регулирования работы компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия; средства выборочного регулирования работы второго компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия; и средства выборочного направления в первое впускное окно сжатого воздуха, а во второе впускное окно - воздуха, не подвергнутого нагнетанию.
Благодаря наличию средств выборочного направления в первое впускное окно сжатого воздуха, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, а во второе впускное окно - воздуха, не подвергнутого нагнетанию, при определенных режимах подачи воздуха в цилиндр двигателя теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.
Кроме того, возможность выборочного регулирования работы двух компрессоров как в режиме сжатия, в котором вырабатывается заряд сжатого воздуха, так и в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия, позволяет снизить работу, затрачиваемую двигателем на привод компрессоров в режиме низких нагрузок.
Предлагаемый двигатель может иметь средства дальнейшего увеличения турбулентности заряда, поступающего в цилиндр, и сведения к минимуму обратного тока заряда при медленном закрытии впускных клапанов, при этом средства усиления турбулентности могут быть выполнены в виде обратного клапана, расположенного между впускным клапаном и цилиндром.
Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания двигателя внутреннего сгорания, имеющего коленчатый вал, приводимый в движение по меньшей мере одним поршнем, совершающим по меньшей мере ход сжатия и ход расширения при содействии сгорания, происходящего в цилиндре, причем ход сжатия приводит к сжатию воздуха в цилиндре, и содержащего ступень внешнего сжатия, в которой дополнительный заряд воздуха подвергается сжатию вне цилиндра; подводящий трубопровод, связывающий ступень сжатия с цилиндром, с промежуточным охладителем, через который выборочно направляется заряд воздуха из ступени сжатия; два впускных окна силового цилиндра, каждое из которых выполнено с впускным клапаном, средства выборочного регулирования ступени внешнего сжатия и впускных клапанов, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: турбулентность, плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре, и магистраль низкого давления, подводящую воздух низкого давления к впускному клапану одного впускного окна во время хода впуска поршня, и магистраль высокого давления, подводящую сжатый компрессором воздух к впускному клапану второго впускного окна после прохождения поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия.
Благодаря наличию указанных магистралей в цилиндр двигателя во время хода впуска поршня вводится воздух низкого давления, а во время хода сжатия - воздух высокого давления, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, при этом теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.
Предлагаемый двигатель может дополнительно содержать второй внешний компрессор, в котором заряд воздуха подвергается сжатию вне цилиндра и направляется к окну низкого давления силового цилиндра во время хода впуска. При этом в двигателе ход сжатия приводит к сжатию воздуха в цилиндре, а средства управления плотностью, температурой, давлением и турбулентностью заряда воздуха используются для того, чтобы степень сжатия была меньше степени расширения двигателя благодаря использованию указанных средств управления, которое включает сжатие дополнительного заряда воздуха перед сжатием в цилиндре с созданием таким образом предварительно сжатого заряда воздуха, который выборочно пропускается через охлаждающее устройство перед его подачей в цилиндр и подается в него после того, как во время хода впуска в цилиндр поступил заряд воздуха низкого давления, в цилиндре сохранился заряд, уступающий нормальному по величине, и начался ход сжатия поршня, и повышение турбулентности и плотности заряда в цилиндре.
Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания способа работы двигателя внутреннего сгорания, включающего создание заряда воздуха; регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха; передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя; при этом возможно регулирование и изменение веса и плотности заряда воздуха с получением такого заряда воздуха, вес и плотность которого выбраны в диапазоне от величин, уступающих нормальным величинам веса и плотности, до величин, превышающих эти величины; подачу в цилиндр и сохранение в нем заряда воздуха низкого давления, уступающего нормальному по величине и полученного во время впускного хода поршня; подачу в цилиндр заряда воздуха высокого давления после прохождения поршнем нижней мертвой точки; сжатие заряда воздуха, так что эффективная степень сжатия меньше нормальной; образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива; создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре; и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре, причем степень расширения этих силовых цилиндров значительно превышает эффективную степень сжатия силовых цилиндров двигателя.
Благодаря подаче во время хода впуска поршня в цилиндр двигателя воздуха низкого давления, а после прохождения поршнем нижней мертвой точки - воздуха высокого давления, который имеет большую плотность и низкую отрегулированную температуру, теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.
Решение поставленной задачи обеспечено также путем создания двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей мере один дополнительный компрессор для сжатия заряда воздуха, имеющий выходное отверстие; промежуточный охладитель, через который выборочно направляется для охлаждения сжатый воздух; силовые цилиндры, в которых сжатый воздух в присутствии топлива воспламеняется и расширяется; поршень, действующий в каждом силовом цилиндре и присоединенный посредством соединительного звена к коленчатому валу для вращения коленчатого вала под действием возвратно-поступательного перемещения каждого поршня; передающий коллектор, который соединяет впускное отверстие для воздуха низкого давления с силовыми цилиндрами и через который воздух низкого давления передается в силовые цилиндры; передающий трубопровод, сообщающий выпускное отверстие компрессора с управляющим клапаном и промежуточным охладителем; передающий коллектор, который сообщает промежуточный охладитель с силовыми цилиндрами и через который передается сжатый воздух, предназначенный для поступления в силовые цилиндры; впускной клапан, управляющий поступлением сжатого воздуха из передающего коллектора в силовые цилиндры; выпускной клапан, управляющий выпуском выхлопных газов из силовых цилиндров; и средства выборочного регулирования работы компрессора для его работы в режиме сжатия, в котором вырабатывается сжатый заряд воздуха, или в режиме пропуска, в котором воздух пропускается через компрессор без сжатия, а также выборочного регулирования параметров заряда воздуха, выбранных по меньшей мере из одного из следующих параметров: плотность, давление, температура, а также среднее и максимальное давление в цилиндре после поступления в цилиндры заряда низкого давления.
Благодаря наличию указанных передающих коллекторов при определенных режимах подачи воздуха в цилиндр двигателя теплота, выделяемая воздухом, находящимся в цилиндре в начале хода сжатия, при его сжатии, поглощается введенным сжатым охлажденным зарядом воздуха, имеющим большую плотность и обладающим высокой теплоемкостью. Это позволяет существенно снизить среднюю температуру рабочего цикла и получить более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре. Указанная подача воздуха также позволяет уменьшить работу двигателя, затрачиваемую им на сжатие заряда воздуха во время хода сжатия, повысить турбулентность воздушно-топливной смеси для более полного и чистого сгорания топлива, а также уменьшить возможность возникновения детонации воздушно-топливной смеси.
В общих чертах, настоящее изобретение предлагает систему двигателя внутреннего сгорания (включая способы и устройства) для управления плотностью, температурой, давлением и турбулентностью заряда топливной смеси для обеспечения эффективного контролирования процессов, протекающих в силовом цилиндре, для повышения экономии топлива, увеличения мощности и крутящего момента при минимизации загрязняющих выбросов.
В дополнение к другим преимуществам предложенный способ может обеспечить изменение средних эффективных давлений в цилиндре в диапазоне в пределах от уступающих нормальному до превышающих нормальное давление. В предпочтительных вариантах выполнения при работе двигателя среднее эффективное давление цилиндра может выборочно изменяться (и изменяется) во всем указанном диапазоне. В другом варианте выполнения, относящемся к работе двигателя с постоянной скоростью при постоянной нагрузке, среднее эффективное давление в цилиндре выбирается из указанного диапазона, а двигатель согласно изобретению выполняют таким образом, что диапазон изменения среднего эффективного давления в цилиндре ограничен и варьируется только в пределах величин, необходимых для выработки именно такой мощности, крутящего момента и скорости рабочего цикла, для получения которых разработан двигатель.
Впускной клапан, через который подается дополнительный заряд воздуха высокого давления с отрегулированной температурой и который может быть быстро открыт и закрыт после достижения поршнем точки, в которой происходит закрытие первого впускного клапана, предназначен для ввода заряда в такой момент времени, что степень сжатия двигателя будет меньше степени расширения, а воспламенение может начинаться при плотности заряда, близкой к максимальной. Предложенный двухтактный двигатель отличается тем, что работа впускных клапанов силовых цилиндров синхронизирована так, что заряд воздуха удерживается в переходном коллекторе и подается в силовой цилиндр на протяжении хода продувки-сжатия (второй такт) в момент времени после продувки силового цилиндра воздухом низкого давления, когда выпускной клапан закрыт. Таким образом, обеспечено превышение степени расширения силового цилиндра над степенью сжатия двигателя. Имеются средства смешивания топлива с зарядом воздуха и получения топливной смеси, а размеры камеры сгорания силовых цилиндров по отношению к рабочему объему силового цилиндра выбраны так, что воспламененная топливно-воздушная смесь может расширяться до объема, существенно превышающего заданный степенью сжатия силового цилиндра двигателя.
Основные преимущества настоящего изобретения перед известными двигателями внутреннего сгорания заключаются в том, что в нем обеспечивается превышение степени расширения над степенью сжатия, в нем также выборочно обеспечивается более высокое, чем в известных двигателях, среднее эффективное давление в цилиндре при таком же или даже более низком максимальном давлении в цилиндре.
Приведенные выше отличия обеспечивают экономию топлива, а также повышенные мощность и крутящий момент во всем диапазоне скоростей вращения двигателя при низком уровне загрязняющих выбросов. Вследствие управления плотностью, температурой и давлением заряда возможна длительная работа двигателя при низких нагрузках без снижения топливной экономичности. Новый рабочий цикл пригоден как для двухтактных, так и четырехтактных двигателей как с зажиганием от электрической искры, так и с воспламенением от высокого давления. В двигателях с искровым зажиганием вес заряда может быть существенно увеличен, при этом отсутствуют обычные проблемы высоких максимальных температур и давлений, как правило сопровождаемые проблемами детонации при сгорании и преждевременного воспламенения. В двигателях с воспламенением от давления благодаря более тяжелому, менее нагретому заряду, обладающему повышенной турбулентностью, обеспечивается низкое максимальное давление в цилиндре при заданной степени расширения и обеспечивается возможность получения обогащенной топливной смеси с более высоким отношением количества топлива к количеству воздуха, характеризующейся пониженным дымообразованием, в результате чего повышается мощность, снижаются выбросы окислов азота и частиц сажи. Работа, затрачиваемая на сжатие, сокращается вследствие снижения передачи тепла в процессе сжатия. Срок службы двигателя увеличивается благодаря более низкой температуре рабочего цикла в целом и более низкой по сравнению с нормальной температуре выхлопа. Изобретение обеспечивает также средства регенеративного торможения для сохранения энергии для последующих рабочих циклов без совершения работы сжатия и для получения кратковременной или "взрывной" мощности, что дополнительно повышает общий кпд двигателя.
В этом кратком описании не могут быть изложены все цели, особенности и преимущества настоящего изобретения, которые, однако, следуют из приведенного ниже описания с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Ниже на примерах описаны варианты выполнения предлагаемых двигателей внутреннего сгорания со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет первый вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан первый способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как видно из чертежа, имеет один дополнительный компрессор, систему охлаждения и клапаны для регулирования давления, плотности и температуры заряда,
фиг. 2 изображает схематичный вид четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, аналогичного двигателю, изображенному на фиг. 1, который представляет второй вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан второй способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как видно из чертежа, имеет два компрессора, три промежуточных охладителя, четыре регулирующих клапана, парные воздухопроводы для основного и дополнительного компрессоров, парные коллекторы и средства регулирования давления, плотности и температуры зарядного воздуха,
фиг. 3 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет третий вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан третий способ работы,
фиг. 4 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет четвертый вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан четвертый способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как видно из чертежа, имеет дополнительный компрессор с двумя впускными каналами для зарядного воздуха и парными впускными воздушными магистралями, одна из которых является магистралью низкого давления, а вторая - магистралью высокого давления, и обе ведут к одному силовому цилиндру, систему охлаждения, клапаны для регулирования давления, плотности и температуры зарядного воздуха и дополнительную систему впуска атмосферного воздуха,
фиг. 4В изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) двигателя, аналогичного двигателю, изображенному на фиг.4, за исключением того, что в нем имеется только один впуск для атмосферного воздуха, подводящий к силовым цилиндрам зарядный воздух с двумя различными уровнями давления,
фиг. 4С схематично изображает систему выпуска и систему впуска воздуха двигателя со средствами повторного сжигания выхлопных газов для уменьшения загрязняющих выбросов,
фиг. 5 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки четырехтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет пятый вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан пятый способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет один впуск для атмосферного воздуха, дополнительный компрессор с двумя магистралями для зарядного воздуха, одна из которых является магистралью низкого давления и имеет две дополнительных магистрали, а вторая является магистралью высокого давления, причем обе магистрали ведут к одному силовому цилиндру, клапанные средства управления и охладители воздуха для изменения плотности, давления и температуры заряда в камере сгорания двигателя,
фиг. 6 изображает частичный разрез одного силового цилиндра четырехтактного двигателя, изображенного на фиг.4, 4В, 5, 7 или 33, вблизи впускных клапанов, показывающий другой способ (применимый и для других вариантов выполнения настоящего изобретения) предотвращения обратного тока зарядного воздуха и автоматического регулирования степени сжатия заряда в цилиндре во время впуска заряда воздуха,
фиг.7 схематично изображает вид четырехтактного шестицилиндрового двигателя, который представляет еще один вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы, причем на чертеже показаны три различных системы (две из них показаны штрих-пунктирными линиями) впуска основного заряда воздуха низкого давления; среди других своих составляющих этот вариант выполнения имеет три охладителя воздуха, парные коллекторы и средства регулирования температуры, плотности и давления заряда посредством блока управления двигателя и путем изменения положения клапанов,
фиг. 8 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки двухтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет первый вариант выполнения двухтактного предлагаемого двигателя и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения имеет основной и дополнительный компрессоры, систему охлаждения, трубопроводы и клапаны для регулирования плотности, температуры и давления заряда, предложенные изобретением,
фиг. 9 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки двухтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет второй вариант выполнения двухтактного предлагаемого двигателя и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет один впуск для атмосферного воздуха, основной и дополнительный компрессоры с двумя впускными магистралями для зарядного воздуха, одна из которых, имеющая дополнительные магистрали, является магистралью низкого давления, а другая - магистралью высокого давления, и обе они ведут к одному силовому цилиндру, управляющие клапанные средства и охладители воздуха для изменения плотности, температуры и давления заряда в камере сгорания двигателя,
фиг.9В схематично изображает вид двухтактного шестицилиндрового двигателя, который представляет еще один вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы, причем на чертеже показаны две различных системы (одна из них показана штрих-пунктирными линиями) впуска основного заряда воздуха низкого давления; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет три охладителя воздуха, парные коллекторы и средства регулирования температуры, плотности и давления заряда посредством блока управления двигателя и путем изменения положения клапанов,
фиг. 10 изображает местный разрез одного силового цилиндра двухтактного двигателя, изображенного на фиг.9, вблизи впускных клапанов, показывающий другой способ (применимый и для других вариантов выполнения настоящего изобретения) предотвращения обратного тока зарядного воздуха во время впуска воздуха высокого давления в цилиндр, а также уравновешенный клапан, имеющий принудительную масляную/воздушную охлаждающую систему,
фиг. 11 изображает вид в аксонометрии (с местными сечениями) блока цилиндров и головки двухтактного шестицилиндрового двигателя внутреннего сгорания, который представляет третий вариант выполнения двухтактного предлагаемого двигателя и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ работы; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет основной и дополнительный компрессоры, охлаждающую систему, трубопроводы и клапаны для регулирования плотности, температуры и давления заряда и имеет по одному питателю для впуска воздуха для каждого силового цилиндра по меньшей мере с двумя впускными клапанами, расположенными таким образом, что каждый из них может работать с независимыми временными режимами,
фиг. 12 изображает диаграмму зависимости объема от давления, на которой представлено сравнение цикла предлагаемого двигателя с циклом высокоскоростного дизеля,
фиг. 13 изображает таблицу, показывающую улучшения, возможные в предлагаемом двигателе и относящиеся к эффективной степени сжатия, максимальным температурам и давлениям, плотности заряда и степеням расширения в сравнении с широко известным двухтактным дизелем для работы в тяжелых условиях,
фиг. 14 изображает таблицу, показывающую улучшения, возможные в предлагаемом двигателе и относящиеся к эффективной степени сжатия, максимальным температурам и давлениям, плотностям заряда и степеням расширения в сравнении с широко известным четырехтактным дизелем для работы в тяжелых условиях,
фиг.15 схематично изображает предлагаемые эксплуатационные параметры для работы двигателей, как двухтактных, так и четырехтактных, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, при этом на чертеже показаны парные промежуточные охладители для основного компрессора, один промежуточный охладитель для вспомогательного компрессора, система регулирования и клапаны для выбора различных воздуховодов для зарядного воздуха при низкой нагрузке двигателя и две альтернативные системы подачи основного заряда воздуха низкого давления (одна из них показана штрих-пунктирными линиями),
фиг. 16 изображает предлагаемые положения клапанов для снабжения коллекторов 13 и 14 зарядом воздуха, оптимальным для работы двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, со средней нагрузкой; для работы со средней нагрузкой клапан-заслонка 5 компрессора 2 должен быть закрыт, а перепускной воздушный клапан 6 должен быть открыт для прохождения неохлажденного заряда воздуха без его сжатия к впускному отверстию компрессора 1, где закрытый клапан-заслонка 3 и закрытый перепускной воздушный клапан 4 направляют заряд сжатого компрессором 1 воздуха, минуя промежуточные охладители, в коллекторы 13 и 14 вместе с воздухом, сжатым и нагретым компрессором 1 для работы со средней нагрузкой,
фиг.17 изображает предлагаемый сценарий для обеспечения двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, зарядом воздуха большой плотности для работы в тяжелых условиях в режиме выработки большой выходной мощности; на фиг.17 все клапаны-заслонки 5 и 3 и все перепускные воздушные клапаны 6 и 4 показаны в полностью закрытом положении, так что работают основная и вторая ступени сжатия, а весь заряд воздуха, за исключением некоторого количества, проходящего через трубопровод 32 к впускному клапану 16-В, пропускается через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для создания заряда воздуха очень большой плотности и передачи его к коллекторам 13 и 14 и силовым цилиндрам двигателей для их работы при большой нагрузке,
фиг. 18 схематично изображает вид любого из двигателей, изображенных на фиг. 3-11, на котором показан другой тип вспомогательного компрессора 2' и системы обеспечения средств отключения или отсоединения вспомогательного компрессора при отсутствии потребности в большом давлении заряда и его большой плотности; для вывода компрессора 2' из работы клапан-заслонку 5 закрывают, а перепускной воздушный клапан открывают, так что воздух, нагнетаемый через компрессор 2', может рециркулировать по нему без совершения работы сжатия,
фиг. 19 схематично изображает двигатели, показанные на фиг.5-7 и 9-10 и имеющие два компрессора, один промежуточный охладитель для одной ступени сжатия, парные охладители для второй ступени сжатия, парные коллекторы, четыре клапана и блок управления двигателем (БУД), а также изображает средства регулирования плотности, давления и температуры зарядного воздуха путем изменения направления и количества потока воздуха посредством различных клапанов, электронных или действующих от разряжения, и их трубопроводов,
фиг. 20 схематично изображает дополнительный привод от электродвигателя для воздушных компрессоров двигателей, изображенных на фиг.1-11,
фиг. 21 изображает схематичный поперечный разрез предкамеры, камеры сгорания, связанных с ними впускных каналов для топлива и установку клапанов, предложенных для работы на газообразном или жидком топливе, для предлагаемых двигателей или любого другого двигателя внутреннего сгорания,
фиг.22 изображает частичный разрез одного цилиндра двигателя, на котором показана другая конструкция, где на каждый оборот вала приходится два рабочих хода для двухтактного двигателя и один рабочий ход на каждый оборот вала для четырехтактного двигателя, при этом имеется коромысло, поворачивающееся на своем нижнем конце, шатун, присоединенный к середине коромысла и к коленчатому валу двигателя, причем имеются средства произвольного изменения степени сжатия двигателя,
фиг.23 изображает частичный разрез одного цилиндра двигателя и показывает другую конструкцию, в которой на каждый оборот вала приходится два рабочих хода для двухтактного двигателя и один рабочий ход на каждый оборот вала для четырехтактного двигателя, при этом коромысло, соединяющее шатун и поршень, поворачивается в точке, расположенной между поршнем и шатуном поршня, а шатун присоединен к коленчатому валу двигателя, а также переменные предпочтительные средства отбора мощности от поршня посредством обычного устройства, содержащего шток поршня, ползун и шатун,
фиг.24 изображает частичный разрез одного цилиндра двигателя, на котором показаны средства обеспечения дополнительного времени горения топлива при каждом рабочем ходе как в двухтактном, так и в четырехтактном двигателе,
фиг.25 изображает вид в аксонометрии блока цилиндров и головки двухтактного двигателя внутреннего сгорания, который представляет еще один вариант выполнения предлагаемого устройства и посредством которого может быть осуществлен и описан еще один способ; среди других своих составляющих этот вариант выполнения, как показано на чертеже, имеет продувочные окна в нижней части гильзы цилиндра, основной и дополнительный компрессоры, охлаждающую систему, клапаны и трубопроводы для регулирования давления, плотности и температуры зарядного воздуха, а также клапаны и трубопроводы для подвода продувочного воздуха в цилиндры,
фиг. 26 схематично изображает вид двигателя, аналогичного двигателю, изображенному на фиг. 25, на котором показан один промежуточный охладитель для одной дополнительной ступени сжатия, парные промежуточные охладители для основной ступени сжатия, система управления (содержащая блок управления двигателем (БУД) и клапаны) для регулирования плотности, веса, температуры и давления зарядного воздуха путем регулирования направления и количества воздушного потока, проходящего через различные клапаны, трубопроводы и дополнительный дроссель, а также два дополнительных пути подвода продувочного воздуха к продувочным окнам в нижней части цилиндров и другие пути выхода выхлопных газов из двигателя,
фиг. 27-30 схематично изображают виды двигателя, показанного на фиг.25 и 26, на которых представлены четыре различных способа эффективной продувки двигателей, причем на фиг.27 и 28 также схематично показан блок управления двигателем (БУД) и клапаны для регулирования давления, плотности и температуры зарядного и продувочного воздуха с заданием для каждого из них требуемых параметров,
фиг. 31 схематично изображает предлагаемый дополнительный привод от электродвигателя для воздушных компрессоров двигателя,
фиг. 32 схематично изображает вид двухтактного двигателя, показанного на фиг.25 и 26 и имеющего только один компрессор для подвода как зарядного, так и продувочного воздуха, на котором показана система управления и средства регулирования давления, плотности и температуры зарядного и продувочного воздуха с заданием для каждого из них требуемых параметров, а также применяемые для этого же средства направления воздуха по различным путям,
фиг. 33 схематично изображает поперечный разрез шестицилиндрового двигателя, имеющего два компрессорных цилиндра, четыре силовых цилиндра, один нагнетатель, пять регулирующих клапанов, на котором также показан блок управления двигателем (БУД) для регулирования температуры, плотности и веса заряда, причем двигатель выполнен с возможностью хранения сжатого воздуха, получаемого путем регенеративного торможения, либо отбираемого воздуха, получаемого при некоторых производственных процессах, в любом предлагаемом двигателе,
фиг. 34 схематично изображает вид любого из предлагаемых двигателей, на котором показан другой вариант выполнения, содержащий отдельный воздушный компрессор с электроприводом или, в другом случае, входной трубопровод, ведущий от источника сбрасываемого или "отбираемого" сжатого воздуха, для подачи зарядного воздуха к двигателю (или к нескольким двигателям), так что отпадает необходимость в компрессорах, приводимых в действие самим двигателем,
фиг. 35 схематично изображает вид любого из предлагаемых двигателей, на котором показан дополнительный вариант выполнения, созданный для работы с постоянной нагрузкой и постоянной скоростью вращения. Такой вариант выполнения предлагаемого двигателя содержит как основной, так и дополнительный компрессоры с дополнительными промежуточными охладителями для обеспечения двух ступеней предварительного сжатия зарядного воздуха, который на промежуточном этапе дополнительно охлаждают либо подвергают адиабатическому сжатию, и
фиг. 36 схематично изображает вид любого из предлагаемых двигателей, на котором показан двигатель, работающий с постоянной нагрузкой и с постоянной скоростью вращения в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения, в котором имеется один компрессор, с дополнительными промежуточными охладителями для создания одной ступени предварительного сжатия зарядного воздуха, который на промежуточном этапе дополнительно охлаждают либо подвергают адиабатическому сжатию.
Подробное описание чертежей
Ниже с более подробными ссылками на чертежи приведено описание предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого усовершенствованного двигателя 100 внутреннего сгорания. Аналогичные составляющие части двигателей на нескольких чертежах обозначены одинаковыми номерами позиций, хотя в некоторых случаях, когда (вследствие большого количества вариантов выполнения) это сочтено необходимым, аналогичные, но отличающиеся составляющие части обозначены номером с верхним индексом (например 1001). При наличии нескольких одинаковых составляющих частей в большинстве случаев они обозначены полностью (например шесть цилиндров 7a-7f), даже если на чертеже изображены не все эти составляющие. Кроме того, составляющие части, являющиеся общими для нескольких цилиндров, иногда для простоты написания обозначены просто общим номером, например поршень 22a-22f= > поршень 22. Для облегчения понимания многочисленных вариантов выполнения (но не для ограничения описания) некоторые, но не все части настоящего описания имеют подзаголовки для указания на определенную систему или подсистему, подробно описанную в данном разделе.
Предлагаемая в изобретении система вероятно была бы представлена наилучшим образом со ссылками на способ/способы регулирования плотности, температуры и турбулентности заряда, подаваемого в зону горения; в приведенном ниже описании сделана попытка описать предлагаемые предпочтительные способы в связи и в сочетании с устройствами, выполненными для осуществления предпочтительных способов и функционирующими в соответствии с ними.
Некоторые составляющие части системы, но не обязательно все, являющиеся общими для двух или более описанных ниже вариантов выполнения, содержат коленчатый вал 20, к которому прикреплены шатуны 19a-19f, к каждому из которых прикреплен поршень 22a-22f, причем каждый поршень перемещается внутри силового цилиндра 7a-7f, воздух поступает в цилиндры через впускные окна, регулируемые впускными клапанами 16, а выпуск воздуха из цилиндров происходит через выпускные окна, регулируемые выпускными клапанами 17. Ниже приведено описание взаимодействия, изменения и функционирования этих и других аналогичных составляющих частей, насколько это было признано необходимым для понимания различных вариантов выполнения настоящего изобретения.
Двигатель 1001, изображенный на фиг.1
На фиг. 1 показан шестицилиндровый поршневой двигатель 1001 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (в разрезе показан только один из них) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по четырехтактному циклу, а все цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Дополнительный компрессор 2 (на чертеже он изображен в виде ротационного компрессора Lysholm'a) выборочно подает сжатый воздух или обеспечивает возможность подачи через компрессор воздуха под атмосферным давлением к коллекторам 13 и 14 и к работающим по четырехтактному циклу цилиндрам 7a-7f. В предпочтительных вариантах выполнения для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха используются клапаны 3, 5 и 6 и промежуточные охладители 10, 11 и 12. Работа впускных клапанов 16a-16f, 16'a-16'f синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1001. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.
Двигатели 1001-1005 и 1007, изображенные соответственно на фиг.1-5 и 7, имеют распределительные валы 21 с расположенными на них кулачками, установленные с возможностью привода со скоростью вращения, составляющей половину скорости вращения коленчатого вала, для обеспечения одного рабочего хода на каждые два оборота коленчатого вала для любого силового поршня. Ротационные компрессоры 2, изображенные на фиг.1-4, 4В, 5, 7 и 33, выполнены с возможностью привода от оребренного клиновидного ремня, а между желобчатым шкивом и приводным валом компрессора может быть расположена повышающая ступенчатая передача. Ротационные компрессоры могут быть также оснащены повышающей ступенчатой передачей, имеющей переменную скорость, как это имеет место в некоторых авиационных двигателях. Поршневой компрессор 1, изображенный на фиг. 3, имеет цилиндры двойного действия, присоединенные к коленчатому валу 20 посредством шатуна 19g, причем вал 20, к которому посредством шатуна 19g присоединен компрессор, обеспечивает выполнение двух рабочих ходов на каждый оборот вала 20. В одном варианте выполнения компрессор 1 приводится в действие посредством шатуна 19g, присоединенного к дополнительному короткому коленчатому валу (не показан), расположенному выше основного коленчатого вала 20 и присоединенному к этому валу посредством повышающей ступенчатой передачи для совершения более двух рабочих ходов на один оборот основного коленчатого вала 20. В другом варианте выполнения компрессорная система может иметь несколько ступеней сжатия для ротационных или поршневых компрессоров. Хотя в различных вариантах выполнения изобретения дополнительный компрессор 1 и второй дополнительный компрессор 2 везде изображены в виде поршневого или ротационного компрессора, однако следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено типом компрессора, применяемого в качестве основного или дополнительного компрессора, а изображенные компрессоры могут быть заменены один на другой, либо иметь одинаковую конструкцию, либо иметь другие конструкции, выполняющие указанные в описании функции.
Двигатель 1001, изображенный на фиг.1, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных схемах обычных двигателей, но иметь более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок управления двигателем (БУД) (не показан на фиг. 1) и различные клапаны 3, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертежах, образуют систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива, выработки большего крутящего момента и большей мощности при низких скоростях вращения двигателя в сочетании с небольшими загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения может применяться система синхронизации регулируемых клапанов, которая совместно с системой регулирования, такой как БУД, может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16 и 16' для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания цилиндров 7a-7f двигателя 1001 для получения при необходимости более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.
Краткое описание работы двигателя 1001, изображенного на фиг.1
Предлагаемый двигатель 1001, изображенный на фиг.1, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и большим крутящим моментом, низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть всасываемого воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен посредством охладителей 10, 11, 12 воздуха, охлаждающих поступающий воздух, а также путем более короткого хода сжатия.
Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1001, работающего по новому циклу, включает следующее:
1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) или поступающий под атмосферным давлением воздух, или поступающий воздух, сжатый по меньшей мере одним дополнительным компрессором 2 и имеющий температуру и давление, величину которых регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в силовой цилиндр 7 путем хода впуска поршня 22.
2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16 (такой клапан может быть один или их может быть несколько, 16, 16') оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускной коллектор 13, 14. Впускной клапан 16, 16' затем закрывают в некоторой точке перемещения поршня и тем самым герметизируют цилиндр 7, устанавливая таким образом величину степени сжатия двигателя.
(b) В другом случае впускной клапан 16, 16' закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигнет нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем расширяют до полного объема цилиндра 7, а сжатие заряда начинается, когда поршень 22 возвращается в точку хода сжатия, в которой клапан 16, 16' закрыт.
3. (а) Во время хода сжатия поршня 22 в точке, в которой клапан 16 закрыт, на этапах либо по п.2(а), либо по п.2(b), начинается сжатие, создавая при этом низкую степень сжатия, что дает возможность ограничения подъема температуры во время хода сжатия.
(b) Во время работы в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапан-заслонка 5 закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 (ВПК) на компрессоре предпочтительно открыт, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускной трубопровод 8 компрессора 2. Клапан-заслонка 3 затем может направлять заряд воздуха через промежуточные охладители 11 и 12 или в обход их. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух через компрессор 2. Это уменьшает работу привода компрессора и повышает экономию топлива.
(c) При возникновении потребности в выработке повышенной мощности плотность и давление заряда могут быть увеличены путем перекрытия клапана 6, что приводит к повышению давления воздуха компрессором 2, а в другом случае тот же эффект может быть достигнут путем подключения второй ступени сжатия посредством компрессора 1, как показано на фиг.2, либо путем повышения скорости вращения компрессора 2. В то же время регулирующие клапаны 5 и 3 предпочтительно направляют заряд воздуха целиком или частично по меньшей мере через один промежуточный охладитель 10, 11 и 12 для повышения плотности зарядного воздуха.
4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов работы 3(а), (b) или (с). Эта энергия, создающая высокое среднее эффективное давление в цилиндре, преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).
Подробное описание работы двигателя 1001, изображенного на фиг.1
Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух, который (в зависимости от требований к развиваемой мощности) находится либо под атмосферном давлением, либо был сжат посредством компрессора 2 до несколько повышенного давления, протекает через трубопроводы 15 от воздушного коллектора 13 или 14 через впускной клапан 16 в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 закрытие впускного клапана 16 происходит рано (при нахождении поршня в точке x). Начиная от этой точки, происходит расширение содержимого цилиндра 7 до максимального объема этого цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой во время хода впуска впускной клапан 16 был закрыт. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В другом случае во время хода впуска (первого такта) поршня 22 впускной клапан 16 удерживают в открытом положении на всем продолжении хода впуска, а также после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки и на значительной части хода сжатия (второго такта), составляющей от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть зарядного воздуха назад в коллектор 13 или 14, а затем впускной клапан 16 закрывают для установления невысокой степени сжатия в цилиндрах двигателя. В момент закрытия впускного клапана 16 плотность, температура и давление содержимого цилиндра приблизительно равны соответствующим параметрам содержимого коллектора 13 или 14.
При работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны-заслонки 5 и 3 закрыты, а клапан 6 на компрессоре предпочтительно открыт, так что происходит возврат всасываемого воздуха без его сжатия во впускной трубопровод 8 компрессора 2. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух через компрессор 2. Это уменьшает работу привода компрессора и повышает экономию топлива.
При потребности в средних величинах крутящего момента и мощности, например при движении с большой скоростью или при выработке электроэнергии в режиме средней нагрузки, клапан 5 предпочтительно закрыт в направлении к компрессору 2, закрыт и клапан 6. Это приводит к прекращению рециркуляции поступающего под атмосферным давлением воздуха в компрессоре 2, который в свою очередь начинает сжимать зарядный воздух до давления, превышающего атмосферное, в то время как закрытые клапаны 5 и 3 направляют зарядный воздух через трубопроводы 104, 110, 111 и 121/122 в обход охладителей 10, 11 и 12 непосредственно к коллекторам 13 и 14 и цилиндрам 7a-7f, где более плотный, но горячий заряд повышает среднее эффективное давление в цилиндре двигателя с созданием повышенного крутящего момента.
При потребности в повышенной мощности, например при резком разгоне или при выработке электроэнергии в режиме большой нагрузки, клапан 6 предпочтительно закрыт, а клапаны 3 и 5 оба открыты. Это приводит к сжатию всего заряда воздуха компрессором 2. Затем клапан 3 или 5 или оба клапана 3, 5 подают (в зависимости от их соответствующего открытого или закрытого положения) сжатый заряд воздуха через трубопроводы 105 или 104 к трубопроводу 110 и затем по трубопроводам 111 или 112 к коллекторам 13, 14 и к цилиндрам 7a-7f через один, два или все три охладителя 10, 11 и 12. Затем очень плотный охлажденный заряд воздуха при его смешении с топливом, воспламенении и расширении со степенью расширения, превышающей степень сжатия двигателя, создает большой крутящий момент и большую мощность.
При потребности в еще более повышенной мощности плотность и вес зарядного воздуха могут быть увеличены путем увеличения скорости вращения компрессора 2 или путем подключения второго компрессора, как показано на фиг.2, с созданием второй ступени предварительного сжатия. Последнее может быть выполнено посредством блока 27 управления двигателем, выдающего сигнал клапану 6 (фиг.2) на его закрытие для предотвращения рециркуляции части всасываемого воздуха по трубопроводу 103, которая выборочно сводит на нет любую вторую ступень сжатия при работе в режиме малой нагрузки. Во время повышения плотности и давления воздуха клапаны 3 и 5 могут направлять часть всего заряда воздуха через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для сгущения заряда и снижения роста его температуры и давления, что достигается путем охлаждения заряда. Это повышает среднее эффективное давление в цилиндре во время сгорания для получения больших значений крутящего момента и мощности.
Чем больше вес заряда воздуха и его плотность, тем раньше может быть закрыт во время хода впуска впускной клапан (или позже во время хода сжатия) для установления низкой степени сжатия и для сохранения энергии, и тем меньше тепла выделяется и меньше растет давление при сжатии в цилиндре. В рассматриваемом четырехтактном двигателе поступающий заряд может быть сжат до давления четыре - пять атмосфер (0,4-0,5 МПа), а если степень сжатия достаточно мала, например от 4:1 до 8:1 (более высокие значения относятся к дизельному топливу), то даже при зажигании от искры отсутствует проблема детонации. Степень расширения должна оставаться большой, предпочтительно 14:1 при применении зажигания от искры и возможно 19:1 при работе с воспламенением от сжатия.
Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра 7, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x (впускной клапан 16 закрыт), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения во всех случаях превышает степень сжатия. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.
Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, изображенную на фиг.21, или через впускной клапан 16, или непосредственно в камеру сгорания. При подаче топлива впрыскиванием последнее должно происходить в момент достижения поршнем 22 точки x, когда впускной клапан закрыт, или после этого момента. Топливо может быть также впрыснуто позже, аналогично работе с применением воспламенения от сжатия, и может впрыскиваться в месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу. Некоторое количество топлива может быть впрыснуто после прохождения поршнем верхней мертвой точки, причем даже непрерывно во время первой части хода расширения для поддержания в целом постоянного давления процесса сгорания.
Воспламенение может происходить от сжатия (которому может содействовать запальная свеча) или от электрической искры. Зажигание от искры может происходить до достижения поршнем верхней мертвой точки, как это происходит обычно, при достижении им верхней мертвой точки или после ее прохождения.
В надлежащее время происходит воспламенение топливно-воздушной смеси и расширение газов с воздействием на поршень - это является рабочим ходом (третьим тактом). При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в надлежащее время открывается (открываются) выпускной клапан 17 (выпускные клапаны 17), а при продувочном ходе (четвертый такт) поршень 22 поднимается, вызывая эффективную продувку цилиндра путем своего принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).
Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.
Двигатель 1002, изображенный на фиг.2
На фиг. 2 показан шестицилиндровый поршневой двигатель 1002 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (только два 7а и 7f из которых показаны на чертеже) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по четырехтактному циклу, причем все цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 соответственно посредством шатунов 19a-19f. Дополнительный компрессор 2 (на чертеже он изображен в виде ротационного компрессора) подает сжатый воздух или обеспечивает возможность подачи через компрессор воздуха под атмосферным давлением к коллекторам 13 и 14 и к работающим по четырехтактному циклу цилиндрам 7a-7f. Второй дополнительный компрессор 1 выборочно используется для повышения давления воздуха, подаваемого к компрессору 2. В предпочтительных вариантах выполнения клапаны 3, 4, 5 и 6 и охладители 10, 11 и 12 применяются для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов 16a-16f синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1002. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.
Во впускном трубопроводе 8 расположен пропорциональный клапан 201, служащий для пропорционального ограничения по количеству воздушного потока, проходящего по трубопроводу 8, что вызывает всасывание выхлопных газов через окно 204 в стенке трубопровода 8. Эти газы поступают из выпускного трубопровода 18 через выпускное окно 206 и трубопровод 202. Назначением этой особенности является поступление выхлопных газов в свежий воздух, поступающий по впускному трубопроводу 8, и смешивание с ним для сокращения загрязняющих выбросов. Введенные выхлопные газы охлаждаются охлаждающими ребрами 202b, расположенными на трубопроводе 202.
Двигатель 1002, изображенный на фиг.2, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД) и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, создают систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенного крутящего момента и большей мощности при низких скоростях вращения двигателя в сочетании с малыми загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения может применяться система синхронизации регулируемых клапанов, которая совместно с системой регулирования, такой как блок 27 управления двигателем (БУД), может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16 для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания цилиндров 7a-7f двигателя 1002 для получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.
Краткое описание работы двигателя 1002, изображенного на фиг.2
Предлагаемый двигатель 1002, изображенный на фиг.2, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и большим крутящим моментом, низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть всасываемого воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором 1, 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен посредством охладителей 10, 11, 12, охлаждающих поступающий воздух, а также путем более короткого хода сжатия.
Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1002, работающего по новому циклу, включает следующее:
1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) или поступающий под атмосферным давлением воздух, или поступающий воздух, сжатый по меньшей мере одним дополнительным компрессором и имеющий температуру и давление, величину которых регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в силовой цилиндр 7 путем хода впуска поршня 22.
2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16 (такой клапан может быть один или их может быть несколько) оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускной коллектор 13, 14. Впускной клапан 16 затем закрывают при нахождении поршня в некоторой точке и тем самым герметизируют цилиндр 7, устанавливая таким образом величину степени сжатия двигателя.
(b) В другом случае впускной клапан 16 закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигнет нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем подвергают расширению до полного объема цилиндра 7, а сжатие заряда начинается, когда поршень 22 дойдет до точки хода сжатия, в которой клапан 16 закрыт.
3. (а) Во время хода сжатия поршня 22 в точке, в которой клапан 16 закрыт, на этапах либо по п.2(а), либо по п.2(b) начинается сжатие, создавая при этом низкую степень сжатия, что дает возможность уменьшения подъема температуры во время хода сжатия.
(b) Во время работы с низкой нагрузкой, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии с низкой нагрузкой, клапаны 3, 5 закрыты, а воздушные перепускные клапаны (ВПК) 4 и 6 на обоих компрессорах 1 и 2 предпочтительно открыты, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 103 компрессоров 2 и 1. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и повышает экономию топлива.
(с) При возникновении потребности в выработке повышенной мощности плотность и давление заряда могут быть увеличены путем перекрытия клапана (ВПК) 4, что приводит к повышению давления воздуха компрессором 2, и, кроме того, или путем подключения второй ступени сжатия посредством компрессора 1, что приводит к тому же, что происходит при закрытии клапана 6, либо путем повышения скорости вращения компрессора 2 или обоих компрессоров. В то же время клапаны 5 и 3 должны быть открыты для направления заряда воздуха целиком или частично через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для повышения плотности зарядного воздуха.
4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов работы 3(а), (b) или (с). Эта энергия, создающая высокое среднее эффективное давление в цилиндре, преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).
Подробное описание работы двигателя 1002, изображенного на фиг.2
Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух, который (в зависимости от требований к развиваемой мощности) находится либо под атмосферным давлением, либо был сжат компрессором 2 и/или компрессором 1 до несколько повышенного давления, протекает через трубопроводы 15 от воздушного коллектора 13 или 14 через впускной клапан 16 в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 впускной клапан 16 закрывается при прохождении поршнем точки x, герметизируя цилиндр 7. Начиная от этой точки, происходит расширение заряда воздуха до максимального объема цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой во время хода впуска впускной клапан 16 был закрыт. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В другом случае во время хода впуска (первого такта) поршня 22 впускной клапан 16 удерживают в открытом положении на всем протяжении хода впуска, а также после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки и на значительной части хода сжатия (второго такта), составляющей от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть зарядного воздуха назад в коллектор 13 или 14, а затем впускной клапан 16 закрывают, герметизируя цилиндр 7, для установления низкой степени сжатия в цилиндрах двигателя. В момент закрытия впускного клапана 16 плотность, температура и давление содержимого цилиндра 7 приблизительно равны соответствующим параметрам заряда воздуха в коллекторах 13 и 14.
При работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны 5 и 3 закрыты, а клапаны 4 и 6, ведущие к обоим компрессорам 1 и 2, предпочтительно открыты, так что происходит возврат всасываемого воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 103 компрессоров 2 и 1. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух, минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и дополнительно повышает экономию топлива.
При потребности в средних величинах крутящего момента и мощности, например при движении с большой скоростью или при выработке электроэнергии в режиме средней нагрузки, клапаны 3 и 5 предпочтительно закрыты, а также закрыты клапаны 4 и 6. Это приводит к прекращению рециркуляции поступающего под атмосферным давлением воздуха через компрессор 2 и 1, и оба компрессора начинают сжимать зарядный воздух до давления, превышающего атмосферное, в то время как закрытые клапаны 3 и 5 направляют зарядный воздух через трубопроводы 104, 110, 111 и 121/122 в обход охладителей 10, 11 и 12, изображенных на фиг.2, с прохождением зарядного воздуха непосредственно к коллекторам 13 и 14 и цилиндрам 7a-7f, где более плотный, но горячий заряд повышает среднее эффективное давление в цилиндре двигателя с созданием повышенного крутящего момента и повышенной мощности.
При потребности в повышенной мощности, например при резком разгоне или при выработке электроэнергии в режиме большой нагрузки, клапан 4 предпочтительно закрыт, а клапан 3 открыт. Это приводит к тому, что компрессор 2 сжимает весь заряд воздуха, клапан 3 направляет его через трубопроводы 112 или 113, и сжатый зарядный воздух подают к коллекторам 13, 14 и к цилиндрам 7a-7f через охладители 11 и 12. Для выработки еще более высокой мощности клапан 5 открывают, а перепускной клапан 6 закрывают, и компрессор 1 начинает работать в качестве второй ступени сжатия, при этом весь заряд воздуха направляют через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для получения заряда большой плотности. Затем очень плотный охлажденный заряд воздуха при его смешении с топливом, воспламенении и расширении со степенью расширения, превышающей степень сжатия двигателя, создает большой крутящий момент и большую мощность.
Чем больше вес заряда воздуха и его плотность, тем раньше (или позже) может быть закрыт впускной клапан для установления низкой степени сжатия и для сохранения энергии, и тем меньше тепла выделяется и меньше растет давление при сжатии в цилиндре. В рассматриваемом четырехтактном двигателе поступающий заряд может быть сжат до давления в четыре - пять атмосфер (0,4-0,5 МПа), а если степень сжатия двигателя достаточно мала и составляет, например, от 4:1 до 8:1 (более высокие значения относятся к дизельному топливу), то даже при зажигании от искры отсутствует проблема детонации. Степень расширения должна оставаться весьма большой, предпочтительно 14:1 при применении зажигания от искры и возможно 19:1 для работы с воспламенением от сжатия.
Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра 7, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x (впускной клапан 16 закрыт), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения во всех случаях превышает степень сжатия. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.
Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, изображенную на фиг.21, или через впускной клапан 16, или непосредственно в камеру сгорания. При подаче топлива впрыскиванием последнее должно происходить в момент достижения поршнем 22 точки x, когда впускной клапан закрыт, или позже этого момента. Топливо может быть также впрыснуто и позже, а в случае работы с применением воспламенения от сжатия оно может впрыскиваться в месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу.
В надлежащее время происходит воспламенение топливно-воздушной смеси и расширение газов с воздействием на поршень для осуществления рабочего хода (третьего такта). При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в надлежащее время открывается (открываются) выпускной клапан 17 (выпускные клапаны 17), а при продувочном ходе (четвертый такт) поршень 22 поднимается, вызывая эффективную продувку цилиндра путем своего принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).
Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.
Двигатель 1003, изображенный на фиг.3
На фиг. 3 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1003 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (только один из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по четырехтактному циклу, причем все силовые цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Дополнительный поршневой компрессор 1 и дополнительный ротационный компрессор 2 подают сжатый заряд воздуха повышенного давления или обеспечивают возможность подачи через компрессоры воздуха под атмосферным давлением к коллекторам 13 и 14 и к работающим по четырехтактному циклу цилиндрам 7a-7f. В предпочтительных вариантах выполнения клапаны 3, 4, 5 и 6 и промежуточные охладители 10, 11 и 12 применяются для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов 16 синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1003. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.
Двигатель 1003, изображенный на фиг.3, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД) и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, образуют систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в силовом цилиндре 7, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенного крутящего момента и большей мощности при низких скоростях вращения двигателя в сочетании с малыми загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения может применяться система синхронизации регулируемых клапанов, которая совместно с системой регулирования, такой как блок 27 (БУД), может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16 для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания цилиндров 7a-7f двигателя 1003 для получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.
Краткое описание работы двигателя 1003, изображенного на фиг.3
Предлагаемый двигатель 1003, изображенный на фиг.3, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и высоким крутящим моментом, низким расходом топлива и низкими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть поступающего воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором 1, 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен с использованием охладителей 10, 11, 12, охлаждающих всасываемый воздух, а также путем более короткого хода сжатия.
Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1003, работающего по новому циклу, включает следующее:
1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) поступающий под атмосферным давлением воздух или воздух, сжатый по меньшей мере одним дополнительным компрессором и имеющий температуру и давление, величину которых регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в силовой цилиндр 7 путем хода впуска поршня 22.
2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16 (такой клапан может быть один или их может быть несколько, 16, 16') оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускные коллекторы 13, 14. Впускной клапан 16 затем закрывают при нахождении поршня в некоторой точке и тем самым герметизируют цилиндр 7, устанавливая таким образом величину степени сжатия двигателя.
(b) В другом случае впускной клапан 16 закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигает нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем подвергают расширению до полного объема цилиндра 7, а сжатие заряда начинается, когда поршень 22 дойдет до точки хода сжатия, в которой впускной клапан 16 закрыт.
3. (а) Во время хода сжатия поршня 22 в точке, в которой клапан 16 закрыт, на этапах либо по п.2(а), либо по п.2(b), начинается сжатие с созданием при этом низкой степени сжатия, что дает возможность уменьшения подъема температуры во время хода сжатия.
(b) Во время работы на режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны 3 и 5 закрыты, а воздушные перепускные клапаны (ВПК) 4 и 6 на обоих компрессорах 1 и 2 предпочтительно открыты, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 8 компрессоров 1 и 2. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и дополнительно повышает экономию топлива.
(с) При возникновении потребности в получении повышенной мощности плотность и давление заряда могут быть увеличены путем перекрытия клапана 4, что приводит к повышению давления зарядного воздуха компрессором 1, и, кроме того, либо путем подключения второй ступени сжатия посредством компрессора 2, что приводит к тому же, что происходит при закрытии клапана 6, либо путем повышения скорости вращения компрессоров 1 или 2 или обоих компрессоров. В то же время клапаны 3 и 5 должны частично или полностью направлять заряд воздуха через промежуточные охладители 10, 11 и 12 для повышения плотности зарядного воздуха.
4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов работы 3(а), (b) или (с). Эта энергия, создающая высокое среднее эффективное давление в цилиндре, преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).
Подробное описание работы двигателя 1003, изображенного на фиг.3
Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух, который (в зависимости от требований к развиваемой мощности) находится или под атмосферным давлением, или был сжат компрессором 1 или 2 до несколько повышенного давления, протекает через трубопроводы 15 от коллектора 13 или 14 через впускной клапан 16 в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 впускной клапан 16 закрывается (при нахождении поршня в точке x). Начиная от этой точки, происходит расширение содержимого цилиндра до максимального объема этого цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой во время хода впуска впускной клапан 16 был закрыт, герметизируя цилиндр 7. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В другом случае во время хода впуска (первого такта) поршня 22 впускной клапан 16 может удерживаться открытым при ходе впуска после прохождения поршнем нижней мертвой точки, а также на значительной части хода сжатия (второго такта), составляющей от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть зарядного воздуха назад во впускной коллектор, и затем впускной клапан 16 закрывают для установления низкой степени сжатия в цилиндрах двигателя.
При работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, клапаны 3 и 5 закрыты, а воздушные перепускные клапаны 4 и 6 (ВПК) на обоих компрессорах 1 и 2 предпочтительно открыты, так что происходит возврат поступающего воздуха без его сжатия во впускные трубопроводы 110 и 8 компрессоров 1 и 2. В это время поршни 22a-22f двигателя всасывают поступающий естественным путем воздух, минуя компрессор (компрессоры). Это уменьшает работу привода компрессора и дополнительно повышает экономию топлива.
При потребности в средних величинах крутящего момента и мощности, например при движении с большой скоростью или при выработке электроэнергии в режиме средней нагрузки, клапан 3, ведущий к компрессору 1, предпочтительно открыт, клапан 4 закрыт, а клапан 6 остается открытым. Это приводит к прекращению рециркуляции поступающего под атмосферным давлением воздуха через компрессор 1, который один начинает сжимать зарядный воздух до давления, превышающего атмосферное, в то время как закрытые клапаны 3 и 5 направляют зарядный воздух через трубопроводы 104, 110, 111 и 121/122 в обход охладителей 10, 11 и 12, как показано на фиг.3, с прохождением зарядного воздуха непосредственно к коллекторам 13 и 14 и силовым цилиндрам 7a-7f, где более плотный подогретый заряд повышает среднее эффективное давление в цилиндре двигателя с созданием повышенного крутящего момента и повышенной мощности.
При потребности в повышенной мощности, например при резком разгоне или при выработке электроэнергии в режиме большой нагрузки, воздушные перепускные клапаны 4 и 6 предпочтительно закрыты, а клапаны 3 и 5 открыты на обоих компрессорах. Это приводит к тому, что компрессоры 1 и 2 сжимают весь заряд воздуха, а клапаны 3 и 5 направляют его от трубопровода 8 через компрессоры 1 и 2, а затем сжатый зарядный воздух подают через трубопроводы 105, 106, 110, 112, 113, 114 и 115 к коллекторам 13, 14 и к цилиндрам 7a-7f через охладители 10, 11 и 12. Затем очень плотный, охлажденный заряд воздуха при его смешении с топливом, воспламенении и расширении со степенью расширения, превышающей степень сжатия двигателя, создает большой крутящий момент и большую мощность.
Чем больше вес заряда воздуха и его плотность, тем раньше в ходе впуска (или позже в ходе сжатия) может быть закрыт впускной клапан для установления низкой степени сжатия и для сохранения энергии, и тем меньше тепла выделяется и меньше растет давление при сжатии в цилиндре. В рассматриваемом четырехтактном двигателе поступающий заряд может быть сжат до давления, составляющего четыре - пять атмосфер (0,4-0,5 МПа), а если степень сжатия достаточно низка и составляет, например, от 4:1 до 8:1 (более высокие значения относятся к дизельному топливу), то даже при зажигании от искры отсутствует проблема детонации. Степень расширения должна оставаться весьма большой, предпочтительно 14: 1 при применении зажигания от искры и возможно 19:1 для работы с применением воспламенения от сжатия.
Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра 7, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x (впускной клапан 16 закрыт), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения во всех случаях превышает степень сжатия. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.
Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, изображенную на фиг.21, или через впускной клапан 16, или непосредственно в камеру сгорания. При подаче топлива впрыскиванием последнее должно происходить в момент достижения поршнем 22 точки x, когда впускной клапан закрыт, или позже этого момента. Топливо может быть также впрыснуто и позже, а в случае работы с воспламенением от сжатия оно может впрыскиваться в том месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу.
В надлежащее время происходят воспламенение топливно-воздушной смеси и расширение газов с воздействием на поршень для осуществления рабочего хода (третьего такта). При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в надлежащее время открывается (открываются) выпускной клапан 17 (выпускные клапаны 17), а при продувочном ходе (четвертый такт) поршень 22 поднимается, вызывая эффективную продувку цилиндра путем своего принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).
Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.
Двигатель 1004, изображенный на фиг.4
На фиг. 4 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1003 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, который имеет два впуска 8 и 9 для атмосферного воздуха и соответствующие впускные трубопроводы 15-А, 15-В и в котором все цилиндры 7a-7f (только один (7) из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22а-22f работают по четырехтактному циклу, а все силовые цилиндры используются для вырабатывания энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Компрессор 2, изображенный на чертеже как ротационный компрессор Lysholm'a, вместе с воздушными трубопроводами, как показано на чертеже, подводит сжатый воздух по меньшей мере к одному впускному клапану 16-А цилиндра. Впуск 8 и дополнительный впуск 9, а также трубопроводы 15-А, 15-В выборочно подводят находящийся под атмосферным давлением заряд воздуха или воздух, сжатый до повышенного давления, к отдельным впускным клапанам 16-А и 16-В, открывающимся в один цилиндр 7a-7f (например, на чертеже они изображены открывающимися в цилиндр 7f). В предпочтительных вариантах выполнения регулирующие клапаны 3, 5 и 6 и промежуточные охладители 10, 11 и 12 применяются для регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов 16а-В - 16f-B, в которые воздух поступает через коллектор 14-В и впускные трубопроводы 15а-В - 15f-B, синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя 1004. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя. Благодаря существенному сходству между двигателем 1004, изображенным на фиг.4, и двигателем, показанным на фиг.7, на которой система дополнительного впуска 9 воздуха показана штрих-пунктирными линиями, ниже имеются ссылки на фиг.7, относящиеся к одинаковым составляющим частям.
Двигатель 1004, изображенный на фиг.4, характеризуется более протяженным процессом расширения, низкой степенью сжатия и возможностью создания заряда топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем это имеет место в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД), изображенный, например, на фиг.7, и регулируемые клапаны 3, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, образуют систему регулирования плотности, давления и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенного крутящего момента и повышенной мощности при всех скоростях вращения двигателя в сочетании с небольшими загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения система синхронизации регулируемых клапанов совместно с БУД 27 может также регулировать время открытия и закрытия клапанов 16-А и/или 16-В для дальнейшего усовершенствования управления параметрами в камерах сгорания с получением более пологой характеристики крутящего момента и высокой мощности при низких значениях расхода топлива и загрязняющих выбросов.
Краткое описание работы двигателя 1004, изображенного на фиг.4
Предлагаемый двигатель 1004, изображенный на фиг.4, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и высоким крутящим моментом, низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами. Новый рабочий цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В таком цикле часть поступающего воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) выборочно сжимают дополнительным компрессором 2. Подъем температуры при сжатии может быть снижен посредством охладителей 10, 11, 12, охлаждающих поступающий воздух, а также путем позднего ввода воздуха, имеющего регулируемую температуру, и путем более короткого хода сжатия.
Во время работы к цилиндру 7 через впускной клапан 16-В подводят основной заряд воздуха под атмосферным давлением или через дополнительный впускной трубопровод 9 подают воздух, давление которого повышено на величину, составляющую от половины до одной атмосферы (на 0,05-0,1 МПа) и который может образовывать топливно-воздушную смесь. Этот заряд может быть сжат, к нему может быть добавлено топливо, если оно отсутствует, воспламенен в надлежащем месте при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки для получения рабочего хода с обеспечением высокой экономии топлива и небольших загрязняющих выбросов.
При потребности в большей мощности в силовой цилиндр 7 во время хода сжатия предпочтительно подают поступающий от впуска 8 дополнительный заряд воздуха посредством второго впускного клапана 16-А, который для повышения, при необходимости, плотности заряда впускает находящийся под более высоким давлением заряд воздуха после закрытия первого клапана 16-В. После нагнетания дополнительного заряда воздуха впускной клапан 16-А быстро закрывается. Давление основного заряда воздуха может быть повышено путем ввода в действие второго дополнительного компрессора, установленного последовательно с компрессором 2 (например компрессора 1, изображенного на фиг.7, где в качестве основного компрессора в двигателе, изображенном на фиг.4, применяется компрессор 2, который на фиг.4 и фиг.7 изображен, например, в виде ротационного компрессора Lysholm'a) между впуском 8 и коллектором 13, 14, кроме того, заряд может быть подвергнут промежуточному охлаждению. Температуру, давление, количество и точку ввода дополнительного заряда, если происходит его добавление, регулируют для получения нужных результатов. В предпочтительных вариантах выполнения, когда работа при низкой нагрузке не требует высокого среднего эффективного давления в цилиндре, для блокирования впускного клапана 16-А может быть применен блокиратор впускного клапана (известно несколько видов блокираторов, например блокираторы, выпускаемые компаниями Eaton Corporation и Cadillac). В другом случае открывают воздушный перепускной клапан 6 для рециркуляции зарядного воздуха назад через компрессор 2 для освобождения компрессора от работы сжатия во время работы в режиме низкой нагрузки.
В другом случае для обеспечения постоянного или переменного "коэффициента давления" в цилиндре 7 при одновременном улучшении вихревой турбулентности может применяться обратный клапан, одна из конструкций которого изображена на фиг.6 под номером 26 позиции. При таком альтернативном способе работы впускной клапан 16-А должен закрываться очень поздно, а клапан 26 - закрываться только тогда, когда давление в цилиндре 7 почти сравняется с давлением в трубопроводе 15-А или превысит его. Таким образом, давление в трубопроводе 15-А, регулируемое скоростью вращения компрессора, вместе с клапанами 3, 5 и 6 (а также клапаном 4, изображенным на фиг.7) должно регулировать давление, плотность, температуру и турбулентность процесса сгорания. Клапан 26 может быть заменен клапаном с подпружиненным диском, выполненным из металла или керамических материалов, или любым другим автоматическим клапаном.
Другой альтернативный способ обеспечения низкой степени сжатия, а также большой степени расширения и небольших загрязняющих выбросов включает следующее.
Давление воздуха, подводимого к впускному трубопроводу 15-А, поднимают до очень большой величины, впускной клапан 16-А в других вариантах выполнения заменяют быстродействующим клапаном, который имеет повышенные возможности управления, таким как быстродействующий клапан с соленоидным управлением (не показан), но не обязательно только им, и который предпочтительно приводится в действие либо механическим, либо электрическим способом, либо под действием разрежения, а его управление осуществляет блок управления двигателем (БУД).
В этом варианте выполнения меньший, более плотный заряд под высоким давлением, который имеет регулируемую температуру и в котором содержится или отсутствует топливо, может выборочно в тангенциальном направлении нагнетаться гораздо позже в ходе сжатия или даже во время процесса сгорания для повышения плотности заряда, для снижения максимальной и общих температур сгорания и для создания требуемой вихревой турбулентности заряда в камере/камерах сгорания.
Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 1004, работающего по новому циклу, включает следующее:
1. В зависимости от требований к мощности двигателя (например, требований, связанных с изменением величины нагрузки) или поступающий под атмосферным давлением воздух, или поступающий воздух, сжатый одним компрессором (не показан) и имеющий температуру, величину которой регулируют перепускными системами и охладителями зарядного воздуха (не показаны), подают в цилиндр 7 (ход впуска) путем хода впуска поршня 22 через впуск 9, коллектор 14-В, впускные трубопроводы 15-В и впускные клапаны 16а-В - 16f-B.
2. (а) После завершения хода впуска впускной клапан 16-В (такой клапан может быть один или их может быть несколько) оставляют открытым на некоторый период времени после того, как поршень 22 прошел нижнюю мертвую точку, так что часть свежего заряда воздуха нагнетается назад во впускной коллектор 14-В.
(b) В другом случае впускной клапан 16-В закрывают рано, во время хода впуска, до того, как поршень 22 достигнет нижней мертвой точки. Находящийся в замкнутом объеме заряд воздуха затем подвергают расширению до полного объема цилиндра 7.
3. (а) После этого начинается ход сжатия (второй такт), и при нахождении поршня в точке, в которой для герметизации цилиндра 7 закрывается клапан 16-В, на этапе либо по п.2(а), либо по п.2(b), начинается сжатие (с низкой степенью сжатия), что дает возможность снижения подъема температуры во время хода сжатия.
(b) При возникновении потребности в выработке повышенной мощности в цилиндр 7 вводят дополнительный сжатый заряд воздуха, имеющий регулируемую температуру, посредством впускного клапана 16-А, который быстро открывается и закрывается во время хода сжатия при нахождении поршня в точке, в которой закрывается клапан 16-В, который ввел основной заряд воздуха, или позже в этом ходе для создания более плотного заряда, имеющего регулируемую температуру, для получения требуемого крутящего момента и требуемой мощности двигателя.
(c) В другом случае при потребности в выработке повышенной мощности плотность и вес дополнительного заряда воздуха могут быть повышены путем обеспечения направления клапанами 5 и 3 всего заряда воздуха или его части через один или несколько охладителей 10, 11 и 12 с повышением плотности заряда и/или путем повышения скорости вращения компрессора или подключения второй ступени дополнительного сжатия, причем при двух последних действиях нагнетается повышенное количество воздуха в сторону наддува. В другом случае синхронизация закрытия впускного клапана 16-В в ходе впуска или ходе сжатия может быть временно изменена для сохранения увеличенного заряда, и в то же время синхронизация работы клапана 16-А может быть временно изменена для более раннего его открытия и закрытия во время хода сжатия с обеспечением повышенной плотности заряда воздуха, имеющего регулируемую температуру.
4. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, заряд воспламеняют, а его сгорание вызывает сильное расширение выхлопных газов с воздействием на поршень 22, вырабатывая при этом большое количество энергии на любом из этапов 3(а), (b) или (с). Эта энергия воспринимается и преобразуется в большой крутящий момент и большую мощность, особенно на этапе (с).
5. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускные клапаны 17a-17f, 17a'-17f' открываются, и цилиндр 7 эффективно продувается путем хода поршня 22 (четвертый такт), после чего клапан (клапаны) 17 закрываются.
Подробное описание работы двигателя 1004, изображенного на фиг.4
Во время хода впуска (первого такта) поршня 22 воздух низкого давления протекает от впускного трубопровода 9 для атмосферного воздуха через воздушный трубопровод 15-В, через воздушный коллектор 14-В, воздух в котором имеет атмосферное давление или несколько повышенное (или в другом случае воздух, имеющий низкое давление, может подводиться посредством регулирующего нагнетательного клапана 25 и трубопровода 15-В от трубопровода 15-А сжатого воздуха, как показано на фиг.5), через впускной клапан 16-В в цилиндр 7. Во время хода впуска поршня 22 клапан 16 закрывается (при нахождении поршня в точке x). Начиная от этой точки, происходит расширение заряда воздуха в цилиндре до максимального объема этого цилиндра. Затем, во время хода сжатия (второго такта) сжатие не происходит до возврата поршня 22 в точку x, в которой был закрыт впускной клапан. (Для расчета степени сжатия двигателя рабочий объем цилиндра, остающийся при нахождении поршня в точке x, делят на объем камеры сгорания.) В любой точке хода сжатия поршня 22 в момент, когда поршень 22 достигнет точки x, или после этого, выборочно открывают второй впускной клапан 16-А для нагнетания дополнительного заряда сжатого воздуха, температура, плотность и давление которого считаются соответствующими нагрузке двигателя, требуемому крутящему моменту, экономии топлива и требуемым параметрам выбросов. В другом случае во время впуска зарядного воздуха впускным клапаном 16-В последний удерживают в открытом положении и после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки на значительное расстояние, составляющее от 10% до, возможно, 50% или более от хода сжатия, тем самым выталкивая часть заряда назад в коллектор 14-В, а затем закрывают для установления низкой степени сжатия в цилиндре. Во время хода сжатия в момент закрытия впускного клапана 16-В или после этого сжатый компрессором 2 дополнительный заряд, имеющий высокое давление и регулируемую температуру, выборочно вводят в тот же цилиндр 7 вторым впускным клапаном 16-А, который быстро открывается и закрывается. В другом случае при потребности в повышенном крутящем моменте и повышенной мощности плотность дополнительного зарядного воздуха существенно увеличивают путем повышения скорости вращения основного компрессора 2 или подключения другой ступени сжатия, например блока 1 (фиг. 7), и/или путем направления заряда воздуха через охладители.
При работе с низкой нагрузкой запорный клапан или блокиратор 31 клапана (такой, как показан на фиг.7) на впускном клапане 16-А высокого давления предпочтительно временно задерживает поступающий воздух или удерживает клапан закрытым, что способствует повышению экономии топлива двигателя. В другом случае при работе в режиме низкой нагрузки клапан 5 закрыт, а клапан 6 открыт, так что весь воздух, нагнетаемый компрессором 2, или его часть возвращается к впускному трубопроводу компрессора 2, имея только небольшое повышение давления или не имея его совсем. Вследствие этого, когда открывается дополнительный клапан 16-А, давление воздуха в трубопроводе 15-А приблизительно равно давлению исходного заряда или незначительно выше его. В альтернативном варианте выполнения для предотвращения какого-либо обратного тока зарядного воздуха в трубопровод 15-А в случае, когда во время хода сжатия поршня 22 давление в цилиндре превысит давление в трубопроводе 15-А до закрытия впускного клапана 16-А, имеется дополнительный автоматический клапан 26, как показано на фиг.6.
При наличии дополнительного обратного клапана (клапан 26 на фиг.6) регулирование степени сжатия в цилиндре 7 может полностью осуществляться путем регулирования давления заряда воздуха, проходящего через клапан 16-А. Степень сжатия может затем регулироваться клапанами 3, 5, 6, скоростью вращения компрессора и любым дросселем, который также может присутствовать. При применении клапана 26 впускной клапан 16-А во время хода сжатия должен оставаться открытым до весьма позднего момента, возможно даже до тех пор, когда поршень 22 приблизится или достигнет верхней мертвой точки.
Топливо может образовывать смесь с воздухом, как показано на фиг.4, 4В, 5, 7 и 33, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.16, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, или через впускные клапаны 16-А, 16-В (через клапан 16-В только в случае, если этот клапан не остается открытым после прохождения поршнем нижней мертвой точки), либо непосредственно в камеру сгорания при нахождении поршня в точке x во время хода впуска (во время хода впуска только в том случае, если впускной клапан 16-В закрывается до достижения поршнем нижней мертвой точки), или в момент достижения поршнем 22 точки x при ходе сжатия или после этого момента. Топливо может впрыскиваться вместе с сопутствующим воздухом или без него. В случае работы с применением воспламенения от сжатия топливо может впрыскиваться в том месте, в котором обычно происходит впрыск дизельного топлива, возможно, в предкамеру, или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу.
После ввода заряда воздуха, имеющего регулируемые температуру и плотность, если такой ввод производится, продолжается сжатие заряда, и он вместе с топливом в надлежащее время воспламеняется для осуществления хода расширения (третий, рабочий такт). (Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся после достижения поршнем во время хода сжатия точки x, поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения задана полным рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания.) Теперь заряд топливно-воздушной смеси воспламеняется, и при расширении сжигаемых газов происходит рабочий (третий такт) ход поршня. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки рабочего хода открывается (открываются) выпускной клапан 17, 17' (выпускные клапаны 17, 17'), и цилиндр 7 эффективно продувается при четвертом ходе поршня путем его принудительного перемещения, после чего клапан 17 (клапаны 17) закрывается (закрываются).
Этим завершается один цикл четырехтактного двигателя.
Очевидно, что чем позже происходит достижение поршнем точки хода сжатия, соответствующей точке x (то есть чем раньше или позже закроется впускной клапан), тем ниже степень сжатия двигателя и тем меньше нагрев заряда при сжатии. Понятно также, что чем позже происходит впуск заряда, имеющего регулируемые температуру и плотность, тем меньшая работа необходима в двигателе для сжатия заряда, последняя часть которого уже подверглась некоторому сжатию дополнительным компрессором 2.
Двигатель 1004-В, изображенный на фиг.4В
На фиг.4В показан четырехтактный шестицилиндровый двигатель 1004В внутреннего сгорания, аналогичный по конструкции двигателю, изображенному на фиг. 4, за исключением того, что в конструкции двигателя 1004В компрессор 2 получает зарядный воздух из коллектора 14-В через отверстие 8-В, показанное на фиг.7, и трубопровод 8, причем воздух поступает через общий впускной канал 9 для зарядного воздуха. Впускные питатели 15а-С - 15f-C распределяют воздух, имеющий атмосферное давление, к впускным клапанам 16-В каждого силового цилиндра. Вследствие того что зарядный воздух, поступающий от трубопроводов 15-А, выборочно сжимают компрессором 2, такая конструкция обеспечивает возможность подвода к впускным клапанам 16-А и 16-В воздуха с различными уровнями давления. Работа двигателя l004В происходит аналогично работе двигателя 1004. Нумерация позиций и назначение системы выпуска и подачи воздуха, показанной на фиг. 4С, идентична нумерации позиций и назначению, приведенным в описании фиг.2.
Двигатель 1005, изображенный на фиг.5
На фиг. 5 показан четырехтактный шестицилиндровый двигатель 1005 внутреннего сгорания, аналогичный двигателю 1004, изображенному на фиг.4, и двигателю 1004В, изображенному на фиг.4В, за исключением того, что на фиг.5 изображены альтернативные способы, с помощью которых могут быть исключены парные впускные трубопроводы для воздуха под атмосферным давлением, предпочтительно путем подвода зарядного воздуха низкого давления к входным клапанам 16-В по трубопроводам 15a-D - 15f-D, ведущим от общего впускного воздушного трубопровода 8, или от дополнительного воздушного коллектора 35-М, расположенного между впускным трубопроводом 8 и впуском трубопроводов 15a-D - 15f-D, причем этот коллектор подводит также воздух через трубопровод 8-А к компрессору 2. Подвод зарядного воздуха низкого давления к впускному клапану 16-В по трубопроводу 15-D или трубопроводу 15-В (изображенному штрих-пунктирной линией) исключает вторую систему фильтрации и ввода воздуха и хорошо работает как с первой описанной системой, предусматривающей закрытие основного впускного клапана 16-В во время хода впуска поршня 22, так и в другом случае при закрытии основного впускного клапана 16-В во время хода сжатия (второго такта). В другом случае, как показано на чертеже, зарядный воздух низкого давления может быть подведен путем установки редукционного клапана 25 в трубопроводе 15-В, выполненном для соединения трубопровода 15 (15-А) для сжатого воздуха с впускным клапаном 16-В цилиндра низкого давления, для снижения давления всасываемого воздуха до уровня, который может регулироваться посредством системы регулирования степени сжатия, описанной в настоящем описании, предпочтительно до 1,5-2,0 атмосфер (0,15-0,2 МПа) (повышение абсолютного давления составляет 0,5-1,0 атмосферы (0,05-0,1 МПа)) и, возможно, до атмосферного давления.
Работа двигателя 1005, изображенного на фиг.5, происходит так же, как и работа двигателя 1004, изображенного на фиг.4, однако подвод основного воздуха низкого давления происходит иначе. Благодаря существенному сходству двигателей, изображенных на фиг.5 и на фиг.7, сочтено целесообразным дать ссылки на некоторые общие составляющие части.
Во время работы этого четырехтактного двигателя (фиг.4, 4В и 5) в режиме небольшой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью либо при выработке энергии в режиме небольшой нагрузки, дополнительный заряд воздуха либо сводится к нулю путем временного блокирования впускного клапана 16-А высокого давления (известны несколько видов систем, блокирующих клапан, например производимых компаниями Eaton Corp., Cadillac и др. ), либо доступ воздуха к впускному клапану 16-А может быть перекрыт, а двигатель все еще будет обеспечивать более высокие экономию топлива и мощность, чем известные двигатели.
В другом предпочтительном случае при работе в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью, компрессор 2 может быть освобожден от какой-либо работы сжатия путем закрытия клапана-заслонки 5 и открытия воздушного перепускного клапана 6, который возвращает нагнетаемый воздух назад в компрессор 2, так что давление воздуха во впускных трубопроводах 15-А и 15-В или 15-D приблизительно равны. Следовательно, в это время наддув отсутствует. В одном варианте выполнения автоматический клапан 26, изображенный на фиг. 6, предотвращает обратный ток воздуха во время хода сжатия в случае, если давление сжатия в цилиндре приблизится к давлению в трубопроводе 15-А или превысит его до того, как закроется впускной клапан 16-А.
Для получения повышенной мощности дополнительный заряд воздуха может быть увеличен посредством клапанов-заслонок 3 и 5, предпочтительно находящихся в открытом положении и направляющих заряд воздуха в охладители 10, 11 и 12, что делает заряд более плотным, и/или путем увеличения скорости компрессора 2, или путем добавления второй ступени предварительного сжатия посредством компрессора 1, изображенного на фиг.7, причем два последних действия способствуют нагнетанию увеличенного количества воздуха в сторону наддува. На фиг.7 основной компрессор 2 изображен в виде ротационного компрессора Lysholm'a, а дополнительный компрессор 1 является ротационным компрессором турбинного типа, тем не менее, в предлагаемых двигателях может применяться компрессор любого типа.
На фиг. 6 изображен такой же четырехтактный двигатель и аналогичная эксплуатационная система, какие описаны для двигателей, изображенных на фиг. 4, 4-В, 5, 7 и 33, за исключением того, что двигатель, изображенный на фиг. 6, имеет дополнительную особенность, заключающуюся в том, что дополнительный впускной клапан 16-А имеет дополнительный клапан 26, автоматически предотвращающий обратный ток зарядного воздуха из цилиндра 7. Эта особенность предотвращает возникновение любого обратного тока во время хода сжатия в предлагаемом двигателе. Эта особенность может быть также использована для установления переменной или постоянной степени сжатия двигателя. Если дополнительный заряд подается через впускной клапан 16-А, то этот клапан может удерживаться открытым во время хода сжатия почти до тех пор, когда поршень 22 дойдет до верхней мертвой точки, так как автоматический клапан 26 закрывается в момент времени, когда давление в цилиндре 7 приблизится по величине к давлению во впускном питательном трубопроводе 15-А. Следовательно, перепад давления между цилиндром 7 и впускным питателем 15-А обеспечивает возможность закрытия автоматического клапана 26, даже если впускной клапан 16-А может быть все еще открыт, обеспечивая возможность регулирования степени сжатия цилиндра 7 давлением любого заряда воздуха, поступающего через питатель 15-А, управление которым, в свою очередь,
осуществляется клапанами 3, 5 и 6 и скоростью вращения компрессора и, возможно, дроссельным клапаном, при его наличии для двигателей, имеющих одну ступень предварительного сжатия. Клапаны 3, 4, 5 и 6, скорость вращения компрессора, а также любой имеющийся дроссельный клапан регулируют коэффициенты давления двигателей, имеющих две ступени предварительного сжатия. Если заряд не проходит от впускного клапана 16-А, автоматический клапан 26 всегда будет закрыт, а коэффициент давлений задается степенью сжатия двигателя, а также плотностью и температурой заряда, получаемого цилиндром 7 через впускной клапан 16-В. Степень сжатия по-прежнему задается точкой в цилиндре 7, при нахождении поршня в которой происходит закрытие основного впускного клапана 16-В. Коэффициент давлений задается плотностью и температурой воздуха, находящегося в цилиндре 7, поступил ли он туда через клапан 16-В или 16-А или через оба этих клапана, а также степенью сжатия.
В качестве блока 26 может применяться автоматический клапан любого типа, возможно, клапан с подпружиненным диском, который может быть выполнен из металла или керамики.
Двигатель 1007, изображенный на фиг.7
На фиг. 7 схематично показан четырехтактный шестицилиндровый двигатель 1007, аналогичный по конструкции и работе четырехтактному двигателю, изображенному на фиг. 4, 4В, и 5, однако в нем имеется другая система впуска воздуха, в которой используется воздушный впуск 9 (изображенный штрих-пунктирной линией), или воздушный впуск 8', или оба этих впуска. На фиг.7 также показаны три промежуточных охладителя 10, 11 и 12 и парные коллекторы 13 и 14, а также еще один впускной коллектор 14-В. Необходимость в сдвоенном впуске для атмосферного воздуха (номера 8' и 9 позиций, изображенные на фиг. 7) может быть исключена путем подвода воздуха из окна 8-В коллектора 14-В непосредственно к воздушному впускному трубопроводу 8', схематично изображенному на фиг.7.
На фиг. 7 показан вариант выполнения системы впуска воздуха, подводящей несжатый зарядный воздух к впускному клапану 16-В двигателя, изображенному на фиг.4В и 7, путем подвода воздуха, имеющего атмосферное давление, к впускным питателям 15а-С - 15f-C, ведущим от коллектора 14-В, как изображено на фиг. 4В и 7, в который поступает атмосферный воздух через впускное окно 9 и который затем подводит несжатый воздух к впускным клапанам 16-В каждого силового цилиндра. Затем, после того как поршень 22 достигнет точки x во время хода сжатия (или иными словами точки, в которой происходит закрытие впускного клапана 16-В и начинается сжатие), через впускной клапан 16-А поступает воздух под большим давлением. Впускной клапан 16-А затем закрывается, сжатие продолжается, происходит добавление топлива, если его еще нет в заряде, заряд воспламеняется при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки (ВМТ), и происходит рабочий ход (третий такт).
Второй вариант выполнения системы впуска воздуха, изображенный на фиг.7, подводит впускаемый воздух низкого давления, как также показано на фиг.5, получаемый другим способом, от трубопровода 15-А высокого давления через трубопровод 15-В с дополнительным редукционным клапаном 25 (изображен на фиг. 5 и 7 штрих-пунктирной линией). Дополнительный заряд воздуха высокого давления нагнетается впускным клапаном 16-А в момент времени, когда поршень 22 достигает точки, в которой происходит закрытие впускного клапана 16-В и начинается сжатие, или несколько позднее этого момента. Впускной клапан 16-А затем быстро закрывается, сжатие продолжается, происходит добавление топлива, если его еще нет в заряде, заряд воспламеняется в надлежащем месте для осуществления рабочего хода (третьего такта).
Третий, предпочтительный вариант выполнения системы впуска воздуха, изображенный на фиг.7, подводит основной заряд воздуха к впускному клапану 16-В следующим образом: зарядный воздух, давление которого повышено компрессором 1 на некоторую величину, составляющую, возможно, от 0,3 бар до 2 бар (от 0,03 МПа до 0,2 МПа) или более, может подводиться выборочно (дискретно или непрерывно) к впускным клапанам 16-В низкого давления двигателя, изображенного на фиг.7, через трубопровод 32, ведущий от трубопровода 110 к впускным клапанам (16а-В - 16f-B), причем этот трубопровод получает зарядный воздух, который имеет атмосферное давление или который был сжат, но в любом случае имеет оптимизированную температуру, причем регулирование этих параметров заряда осуществляют компрессором 1 и охладителем 10, а регулирование путей прохождения зарядного воздуха осуществляют клапанами-заслонками 5 и 6 и соответствующими трубопроводами. В этом случае дополнительно имеется клапан 33. После заполнения цилиндров 7 зарядом и установления степени сжатия путем закрытия впускного клапана 16-В во время первого или второго хода поршня 22, впускной клапан 16-А высокого давления открывается в ходе сжатия при нахождении поршня в точке, в которой происходит закрытие клапана 16-В, с нагнетанием плотного заряда воздуха, имеющего регулируемую температуру, затем клапан 16-А закрывается, сжатие продолжается, при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки происходит воспламенение заряда, в котором присутствует топливо, и осуществляется рабочий ход (третий такт). Применение этой системы также исключает необходимость парных впусков для атмосферного воздуха.
Четвертый вариант выполнения системы впуска воздуха, изображенной на фиг. 7, подводит основной зарядный воздух к впускным клапанам 16-В низкого давления путем выборочного поступления зарядного воздуха от впускного трубопровода 9, коллектора 14-В и впускных питателей 15-С (изображенных штрих-пунктирной линией) или от трубопровода 32, который направляет к силовому цилиндру 7 воздух, имеющий любые требуемые в конкретное время значения температуры и давления. При такой схеме открытия клапана 33 во время, когда компрессор 1 сжимает проходящий через него заряд, будет присутствовать эффект увеличения плотности основного зарядного воздуха, температура и давление которого в этом случае могут быть также отрегулированы компрессором 1 и регулирующими клапанами 5 и 6. Обратный клапан 34 препятствует обратному току воздуха, имеющего повышенное давление, по трубопроводу 15-С. При потребности в пониженной мощности компрессор 1 может работать вхолостую путем открытия, полного или частичного, клапана 6 и закрытия клапана 5. В другом случае клапан 33 может быть закрыт блоком управления двигателя, а всасывание основного зарядного воздуха в цилиндр 7 будет происходить при атмосферном давлении через впускной трубопровод 9 (изображенный штрих-пунктирной линией). После этого поршень 22 начинает свой второй ход, клапан 16-В закрывается, если он не закрылся в ходе впуска, с установлением степени сжатия, причем во всех случаях тяжелый дополнительный заряд поступает через клапан 16-А, открывающийся в момент времени, когда поршень 22 достигает точки, в которой закрывается впускной клапан 16-В, или несколько позже, затем клапан 16-А быстро закрывается, сжатие продолжается, происходит воспламенение заряда при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки, и осуществляется рабочий ход (третий такт).
С четвертым вариантом выполнения системы впуска воздуха впускной клапан 16-В низкого давления может получать через трубопровод 32 или трубопровод 15-В (а) зарядный воздух, имеющий атмосферное давление или (b) зарядный воздух, который был сжат и охлажден. Во впускной клапан 16-А высокого давления (открытие которого происходит в момент времени, когда начинается сжатие или несколько позже) может поступать зарядный воздух, который (а) либо был сжат и охлажден в единственной ступени сжатия компрессором 1 или 2, либо (b) был сжат и охлажден с приобретением очень высокой плотности по меньшей мере в двух ступенях сжатия, либо (с) его температура и давление отрегулированы регулирующими клапанами 5 и 6 для улучшенного управления параметрами сгорания в отношении мощности, крутящего момента и экономии топлива, а также в отношении регулирования количества выбросов. С введением дополнительного обратного клапана (клапан 26, изображенный на фиг.6) двигатели, изображенные на фиг. 4, 4В, 5 и 7, могут иметь либо постоянные, либо переменные коэффициент давлений, плотность, давление, температуру и турбулентность заряда, а также время закрытия клапана 26, регулирование которых осуществляется клапанами 3, 5 и 6, скоростью вращения компрессора, а также любым дросселем, имеющимся в двигателях с одной ступенью предварительного сжатия, а также добавлением клапана 4 в двигателях, имеющих две ступени предварительного сжатия. В любом случае впускной клапан 16-А должен оставаться открытым до весьма позднего момента в ходе сжатия, возможно, до достижения поршнем 22 непосредственной близости к верхней мертвой точке хода 22.
Преимущество сжатия зарядного воздуха, поступающего к впускному клапану 16-В низкого давления, в дополнение к сильному сжатию дополнительного заряда воздуха заключается в том, что во время большей части рабочего цикла таких двигателей плотность заряда может быть резко увеличена для получения высокого среднего эффективного давления с одновременным удержанием низкими максимальных давлений и температур. Описанная система способна обеспечить мощность, необходимую для движения транспортного средства по холмистой местности, возможно, с блокированием впускных клапанов 16-А высокого давления блокиратором клапана, обозначенным номером 31 позиции на фиг.7, или компрессором 2 и/или 1 с осуществлением в них полного или частичного перепуска воздуха посредством регулирующих клапанов 3 и 4 и/или регулирующих клапанов 5 и 6 для изменения давления и температуры заряда, поступающего в коллекторы 13 и 14, а затем к впускным клапанам 16-А. Для получения максимальной мощности блокираторы клапанов могут быть отключены или нейтрализованы.
На фиг.7 также показана предлагаемая система управления двигателем, содержащая блок 27 (БУД), два клапана-заслонки 3 и 5, два воздушных перепускных клапана 4 и 6 и дополнительные редукционные клапаны 25 (25a-25f) на воздушных трубопроводах 15-В (15а-В - 15f-B), a также алгоритм регулирования давления, температуры и плотности путем регулирования клапанов 4 и 6 и клапанов 3 и 5. Как показано на чертеже, клапан 4 закрыт с обеспечением возможности полного сжатия заряда компрессором 2, а клапан 3 несколько приоткрыт, обеспечивая возможность прохождения неохлажденной части воздуха (светлые стрелки) и некоторого количества охлажденного воздуха (темные стрелки) к коллекторам 13 и 14, причем управление обоими клапанами может быть осуществлено блоком 27 для создания заряда воздуха с оптимальной плотностью, температурой и давлением. Светлые стрелки 4-А в трубопроводе 120 показывают, что клапан 4 может быть частично открыт для обеспечения возможности перепуска некоторого количества воздуха и возвращения к компрессору 2 для точного регулирования давления дополнительного заряда воздуха, так что это количество нагнетается для регулирования плотности и температуры заряда. В другом случае весь заряд воздуха может быть направлен через охладители 10, 11 и 12 или через перепускные трубопроводы 121 и 122 и коллекторам 13 и 14.
Для получения высокой мощности при низкой степени сжатия и небольших загрязняющих выбросах клапаны 4 и 6 закрыты, а клапаны 3 и 5 должны быть открыты, так что компрессоры 2 и 1 повышают давление заряда воздуха, направляемого клапанами 3 и 5 через охладители, для получения максимальной плотности. Во время хода впуска впускной клапан 16-В низкого давления открывается, поршень 22 всасывает воздух, имеющий низкое давление, и впускной клапан 16-В закрывается перед достижением поршнем нижней мертвой точки во время хода сжатия или после прохождения этой точки. Во время хода сжатия при нахождении поршня в точке, где происходит закрытие впускного клапана 16-В, или несколько позже открывается впускной клапан 16-А для нагнетания дополнительного плотного охлажденного заряда воздуха, затем этот клапан закрывается. Сжатие продолжается с низкой степенью сжатия. Добавляют топливо, если его еще нет в заряде, заряд воспламеняется в надлежащем месте при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки (воспламенение может происходить до достижения поршнем верхней мертвой точки, при нахождении поршня в ней или после ее прохождения) для осуществления рабочего хода (третьего такта) с большой степенью расширения и большим крутящим моментом, затем открывается (открываются) выпускной клапан (выпускные клапаны) 17, и происходит продувочный ход (четвертый такт), после чего клапан (клапаны) 17 закрывается (закрываются).
В этих конструкциях топливо может образовывать топливно-воздушную смесь и может впрыскиваться в корпус дросселя, в окно, в цилиндр, а также может быть введено в любой точке между впуском воздуха и днищем поршня. Топливно-воздушная смесь может быть расположена слоями или представлять собой смеси от стехиометрической до весьма бедной смеси для искрового зажигания или до весьма богатой смеси для работы с применением воспламенения от сжатия. Регулирование мощности двигателя может осуществляться путем одного только дозирования топлива, либо подача воздуха может быть также точно отрегулирована посредством дроссельного клапана до надлежащего соотношения количеств топлива и воздуха или может "дозироваться" управляющими клапанами 4 и 6 при использовании двух ступеней предварительного сжатия и регулирующим клапаном 4 при использовании одиночной ступени предварительного сжатия.
В любом предлагаемом двигателе общая для всех известных двигателей проблема неполного смешивания топлива с воздухом и остаточными газами и вследствие этого изменения параметров в точке воспламенения сведена к минимуму, а в некоторых случаях она исключена путем позднего ввода воздушного заряда с большой скоростью. Эта проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, является чрезвычайно острой в известных двигателях, когда газообразное топливо вводится непосредственно в цилиндр и где может проскакивать искра в смесях, имеющих различные отношения количеств топлива и воздуха, и, следовательно, с различной скоростью распространения пламени.
(О важности нахождения решения именно этой проблемы исследователи двигателей Массачусетского Технологического Института заявляют: "Исключение происходящих от цикла к циклу изменений в процессе сгорания будет важным вкладом в усовершенствование эксплуатационных качеств двигателя. Если все циклы будут подобны среднему циклу или равны ему, то максимальное давление цилиндра будет ниже, кпд будет больше, и, что самое главное, предел детонации будет выше, обеспечивая тем самым возможность ощутимого повышения кпд и/или среднего эффективного давления в цилиндре при том же количестве топлива").
Указанная циклическая изменчивость сведена к минимуму, а возможно, и полностью исключена в каждом из вариантов выполнения (включая двухтактные и четырехтактные) предлагаемого двигателя путем значительной вихревой турбулентности, создаваемой нагнетанием воздуха под большим давлением. Кроме того, в любом из предлагаемых двигателей вихревая турбулентность может быть ориентирована тангенциально к стенке цилиндра путем экранирования впускного клапана 16, в особенности клапана 16-А, либо путем применения обратного клапана, например такого, как клапан 26, изображенный на фиг.6 и 10. Даже двигатели, получающие заряд воздуха во время хода впуска поршня с использованием экранированного впускного клапана, демонстрируют тенденцию к сокращению нежелательного циклического изменения и имеют пониженные требования к октановому числу и повышение ограничиваемого детонацией среднего эффективного индикаторного давления в цилиндре. Предлагаемый двигатель путем нагнетания зарядного воздуха, в особенности через экранированный клапан, во время хода сжатия создает значительно повышенную вихревую турбулентность с дальнейшим сведением к нулю нежелательных, происходящих от цикла к циклу изменений для более чистого и более полного сгорания топлива.
Впускной клапан может вращаться во время работы и все же иметь тангенциальный по отношению к стенке цилиндра поток благодаря применению известного подъемного клапана, а также благодаря тому, что расположенная напротив требуемого направления воздушного потока сторона головки клапана экранирована, и при ее открытии посредством утолщенной части поверхности головки двигателя, образующей козырек или выступ в форме полумесяца, воздушный поток направляется в требуемом направлении, в то время как клапан открыт.
В системе воспламенения от сжатия улучшенный процесс смешивания, предложенный изобретением, обеспечивает возможность значительно более богатых отношений количества топлива к количеству воздуха для получения более высокой мощности, ограничиваемой порогом дымообразования, а при чрезвычайно обогащенных отношениях количества топлива к количеству воздуха дым и частицы фактически устранены.
Вихревая турбулентность, создаваемая путем нагнетания заряда под высоким давлением во время хода сжатия, не гасится ходом сжатия, и чем позже происходит впуск заряда, тем меньший объем заряда необходим для создания требуемой вихревой турбулентности. В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, работающем в соответствии с предлагаемым способом, заряд воздуха, имеющий очень высокое давление и регулируемую температуру, может выборочно вводиться с тангенциальной ориентацией весьма поздно в ходе сжатия, например непосредственно перед вводом топлива, во время этого ввода или вместе с ним, а в случае чрезвычайно высокого давления даже во время процесса сгорания.
Так как дополнительный заряд воздуха в двигателе, изображенном на фиг. 4-7, 9, 9В и 15-20, может быть сжат до чрезвычайно высокого давления, впускной клапан 16-А в других вариантах выполнения заменен на более управляемый и быстродействующий клапан, такой как высокоскоростной клапан с соленоидным управлением (не показан), однако такая замена не ограничена только клапаном такого типа. Этот клапан предпочтительно приводится в действие механическим или электрическим способом, либо путем разрежения и предпочтительно регулируется блоком управления двигателем, как изображено на фиг.7, 9В, 15-20 и 33. В этой системе дополнительный заряд воздуха может выборочно весьма поздно в ходе сжатия поршня 22 вводиться для повышения плотности заряда и вихревой турбулентности, понижения максимальной и общей температур сгорания, а также сокращения выработки загрязняющих выбросов. Ввод воздуха может быть осуществлен тангенциально ориентированным способом. Это значительно увеличивает вихревую турбулентность и предотвращает нежелательные циклические изменения, характерные для известных двигателей и представляющие наибольшие затруднения в двигателях, работающих на газообразном или дизельном топливе.
Применение указанной системы приводит к понижению максимальных давлений и температур в цилиндре. Эффективность возрастает, а предел детонации повышается, обеспечивая таким образом существенное увеличение кпд и среднего эффективного давления в цилиндре при заданном количестве топлива. Все предлагаемые двигатели работают с более полным процессом расширения по сравнению с известными двигателями и таким образом обеспечивают дальнейшие улучшения эффективности и параметров выбросов.
Предлагаемые четырехтактные двигатели (например изображенные на фиг.1, 2, 3, 4, 4В, 5, 7 и 33), как и предлагаемые двухтактные двигатели (например изображенные на фиг. 8-11, 25 и 33), выполнены с возможностью работы со степенью расширения, превышающей степень сжатия. Для достижения этого результата степень расширения устанавливают путем выбора надлежащего объема камеры сгорания, а степень сжатия понижают ниже этой величины путем очень раннего или очень позднего закрытия впускного клапана.
Двигатель 1008, изображенный на фиг.8
На фиг. 8 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1008 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом для работы на бензине, дизельном топливе, спирте, природном газе, водороде или смешанной работы на двух видах топлива, имеющий шесть цилиндров 7a-7f (в разрезе показан только один цилиндр 7f), в которых с возможностью возвратно-поступательного движения расположены поршни 22a-22f. Наличие другого цилиндра указано только изображением нижнего конца гильзы цилиндра 7а. На разрезе изображен цилиндр компрессора 1 двойного действия. Поршни 22a-22f присоединены к общему коленчатому валу 20 известным способом посредством шатунов соответственно 19а-19f. Двигатель 1008, изображенный на фиг.8, выполнен с возможностью работы по двухтактному циклу, так что на один оборот коленчатого вала 20 производится шесть рабочих ходов. Для этого компрессор 1 осуществляет забор заряда воздуха, имеющего атмосферное давление (или в другом случае заряда воздуха, предварительно подвергнутого сжатию до повышенного давления посредством впускного регулирующего клапана 6 через впускной трубопровод 102, ведущий от компрессора 2, либо через регулирующий перепускной клапан 6, клапан-заслонку 5 и перепускной трубопровод 104, либо через охладитель 10). Во время работы двигателя 1008 заряд воздуха сжимают в компрессоре 1 посредством связанного с ним поршня 131, а сжатый заряд нагнетают через выпускной патрубок в передающий трубопровод 109 высокого давления, ведущий к перепускному клапану 3, выполненному и расположенному с возможностью пропуска в зависимости от сигналов от блока 27 сжатого воздуха или через охладители 11 и 12, или через перепускной трубопровод 111. Этот блок управляет степенью сжатия, количеством и направлением потока сжатого заряда через охладитель и/или перепускной трубопровод в коллекторы 13 и 14. Коллекторы 13 и 14 выполнены и расположены с возможностью распределения сжатого заряда посредством отводных впускных трубопроводов 15a-15f к впускным клапанам 16 и 16', а также к остальным пяти силовым цилиндрам. В другом случае дополнительный компрессор 2 получает атмосферный воздух через впускное отверстие 8, производит предварительное сжатие заряда воздуха в трубопроводе 101, ведущем к клапану 5, который в соответствии с сигналами от блока 27 направляет сжатый заряд через охладитель 10 или перепускной трубопровод 104 к компрессору 1. Блок 27 может также управлять клапанами 4 и 6 для направления части или всего заряда, проходящего через компрессоры 1 и 2, назад через трубопроводы 120 и 103 для регулирования степени сжатия одного или обоих компрессоров 1 и 2 в пределах от полного сжатия до отсутствия сжатия, таким образом во время работы в режиме низкой нагрузки любой компрессор 1 или 2 может подводить к цилиндрам необходимое количество сжатого воздуха.
Двигатель 1008, изображенный на фиг.8, имеет распределительные валы 21, выполненные с возможностью привода со скоростью вращения коленчатого вала для создания одного рабочего хода поршней за один оборот. Поршневой компрессор имеет по меньшей мере один цилиндр двойного действия, один из которых изображен на фиг. 8 и обозначен номером 1 позиции, и по меньшей мере одну ступень сжатия, причем коленчатый вал 20 обеспечивает осуществление двух рабочих ходов по меньшей мере одного компрессора за один свой оборот, как описано ниже. В другом варианте выполнения привод поршневого компрессора может осуществляться коротким коленчатым валом, приводимым во вращение повышающей ступенчатой передачей, выполненной на основном коленчатом валу и осуществляющей привод передачи меньшего размера, установленной на дополнительном коленчатом валу. Привод дополнительного ротационного компрессора 2 может осуществляться посредством шкива с клиновидной канавкой, приводимого в движение оребренным клиновидным ремнем, и этот компрессор может иметь повышающую ступенчатую передачу, установленную между этим шкивом и приводным валом компрессора. Ротационный компрессор 2 может также иметь привод с переменной скоростью вращения, как в некоторых авиационных двигателях.
Описание работы двигателя 1008, изображенного на фиг.8
Зарядный воздух всасывается во впускное отверстие 8 компрессора, откуда он проходит через компрессор 2, где заряд затем всасывается в трубопровод 101 к клапану-заслонке 5, где заряд направляется либо через охладитель 10 или через клапан 6, где часть заряда или весь он может быть направлен назад через компрессор 2, где заряд рециркулирует без сжатия, либо клапан 6 может направить заряд воздуха на впуск компрессора 1, где заряд воздуха нагнетается из выпускного патрубка компрессора 1, ведущего к клапану-заслонке 3, где заряд направляется либо через охладители 11 и 12, либо через воздушный перепускной клапан 4, или его часть направляется и через охладители, и через клапан 4, ведущие к коллекторам 13 и 14, распределяющим зарядный воздух к впускным клапанам 16, а также к впускному клапану каждого цилиндра 7 двигателя 1008. (Клапан 4 может направлять весь заряд воздуха или его часть к коллекторам 13 и 14 или может осуществлять его полную или частичную рециркуляцию через трубопровод 120 назад к трубопроводу 106 и на впуск компрессора 1. ) Блок 27 управляет клапанами 3, 4, 5 и 6 для регулирования давления, температуры и плотности заряда, подаваемого в камеры 130 сгорания двигателя. Этот же блок 27 может управлять системой управления регулируемых клапанов для регулирования времени открытия и закрытия впускных клапанов 16 и выпускных клапанов 17 силовых цилиндров в соответствии с углом поворота вала 20 для регулирования степени сжатия и плотности заряда в двигателе для его оптимальной работы по следующим параметрам: мощность, крутящий момент, экономия топлива и параметры применяемого топлива.
Работа силового цилиндра 7 происходит следующим образом:
Вариант 1
Вблизи конца рабочего хода в цилиндре 7 выпускной клапан (клапаны) 17, 17' открывается (открываются), и при открытом выпускном клапане поршень 22 начинает ход выпуска (второй такт). Во время хода выпуска, возможно при нахождении поршня на 60o-70o раньше верхней мертвой точки, клапаны 17, 17' закрываются. При нахождении поршня в точке закрытия клапанов 17, 17' устанавливается степень сжатия, впускные клапаны 16, 16' открываются при нахождении поршня в этой точке или позже в ходе сжатия, сжатый воздух и/или заряд топливно-воздушной смеси нагнетается в камеру 130 сгорания цилиндра 7, клапаны 16, 16' закрываются, возможно, при нахождении поршня за 60o до верхней мертвой точки, с вихревой турбулентностью, сопровождающей нагнетание воздуха высокого давления, поршень 22 продолжает движение к концу своего хода, сжимая таким образом заряд, создавая весьма низкую степень сжатия, доходящую до 2:1. Если топливо еще отсутствует в виде смеси, его водят в подводимый воздушный поток или в предкамеру, или непосредственно в камеру сгорания после закрытия впускного клапана. Для послойного процесса сгорания заряда топливо может быть введено в середину вихря заряда, или при необходимости воспламенения дизельного топлива оно может быть введено на запальную свечу. Топливно-воздушная смесь воспламеняется от сжатия или от искры, причем последняя имеет место в надлежащее время для наибольшей эффективности и/или мощности. В общем случае ввод и воспламенение топлива происходят до верхней мертвой точки поршня. Тем не менее, ввод топлива может быть выполнен и позже, а возможно и непрерывно, во время начальной части хода расширения для осуществления процесса сгорания при постоянном в целом давлении и в особенности при применении дизельного топлива. Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит предпочтительно до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки, а сжигаемый заряд расширяется с воздействием на поршень по мере его перемещения к нижней мертвой точке. При нахождении поршня в нижней мертвой точке открывают выпускной клапан (выпускные клапаны) и продувают выхлопную смесь путем принудительного перемещения поршня 22 во время продувочного хода. Если открытие впускных клапанов 16, 16' происходит раньше, то для продувки может потребоваться некоторое их перекрытие выпускным клапаном. При позднем открытии впускных клапанов 16, 16' перекрытие клапанов не потребуется, и закрытие клапана (клапанов) 17, 17' происходит приблизительно в то же время, что и открытие впускных клапанов 16, 16'. Степень расширения двигателя может составлять приблизительно 19:1 при использовании дизельного топлива и 14:1 при использовании газообразного топлива или бензина, причем эту степень расширения задают путем деления рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания.
Вариант 2
Вблизи конца рабочего хода в цилиндре 7 клапан (клапаны) 17, 17' открывается (открываются), и при открытом клапане 17 начинается продувочно-впускной ход (второй такт). При нахождении поршня в точке, расположенной примерно посредине хода (например, отстоящей примерно на 90o от верхней мертвой точки), при открытом клапане 17, 17' происходит открытие впускного клапана с небольшим перекрытием клапанов для впуска имеющего высокое давление продувочного и зарядного воздуха. По меньшей мере в одном клапане 16 может быть выполнена выемка, например, как в элементе, обозначенном номером 30 позиции на фиг. 11, для направления первого впускного воздуха вниз и вдоль стенок цилиндра 7 для петлевой продувки цилиндра во время очень малого перекрытия клапанов 16, 16' и 17, 17'. Клапаны 17, 17' остаются открытыми до достижения поршнем точки, в которой начинается сжатие, затем при своем закрытии они получают заряд воздуха, вскоре после этого закрываются клапаны 16, 16', при этом цилиндр достаточно продут и заряжен теперь свежим воздухом, имеющим отрегулированную температуру и высокое давление. Поршень 22 продолжает свой ход для сжатия заряда, создавая низкую степень сжатия, в идеальном случае составляющую от 13:1 до 4:1, в зависимости от вида применяемого топлива. Степень сжатия устанавливают точкой в ходе поршня 22, в которой происходит закрытие клапана (клапанов) 17, 17', и рассчитывают путем деления остающегося рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания.
При продолжении подъема поршня 22 от точки x, в которой закрытие выпускного клапана установило степень сжатия и где начинается сжатие заряда, начинается подъем давления. Плотный, охлажденный заряд воздуха при коротком ходе сжатия создает низкую степень сжатия с очень тяжелым зарядом, с низким максимальным давлением в цилиндре, но с высоким средним эффективным давлением в цилиндре для получения большого крутящего момента и большой мощности.
Коэффициент давления будет задан плотностью, давлением и температурой поступающего заряда, длительностью открытия впускных клапанов 16, 16' и точкой закрытия выпускных клапанов 17, 17'. Чем позже происходит закрытие выпускных клапанов 17, 17', тем меньше расширяется зарядный воздух после его нагнетания в цилиндр 7, тем меньше работа, требуемая на сжатие заряда, тем меньшее перекрытие впускного и выпускного клапана требуется и тем ниже степень сжатия.
При нахождении поршня в некоторой точке, возможно отстоящей на 150-120o от верхней мертвой точки, цилиндр 7 будет достаточно продут, и выпускной клапан 17, 17' может быть закрыт до момента открытия впускных клапанов 16, 16' для впуска в этом случае всего заряда воздуха, но не позже этого момента, причем выхлопные газы в основном удалены путем продувки. (В некоторых случаях некоторое количество остающихся выхлопных газов является полезным, а точка, в которой впускной и выпускной клапаны могут быть закрыты без перекрытия, будет установлена экспериментально.) В этом случае "эффективная" степень сжатия может быть понижена до 3:1 или даже 2:1 с созданием к тому же низких максимальных давления и температуры в цилиндре, но при высоком среднем эффективном давлении. Топливо может вводиться рано, например при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана, и в момент примерно за 150o-120o до конца хода сжатия. Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит до верхней мертвой точки, в ней или за ней, затем происходит ход расширения (второй такт). Степень расширения задана рабочим объемом цилиндра, поделенным на объем камеры сгорания, и она может составлять приблизительно 19:1 при использовании дизельного топлива и 14:1 для бензина или газообразного топлива.
Блок 27 может управлять температурой и плотностью заряда, подаваемого в цилиндр 7 или камеру 130, а также синхронизацией впуска в камеру сгорания, и таким образом может регулировать плотность, турбулентность, температуру и давление заряда, обеспечивая средства ограничения максимальных температур и давлений, при более высоком, чем в известных двигателях, среднем эффективном давлении, когда это требуется, а также обеспечивая более низкий уровень нежелательных загрязняющих выбросов.
Предложенная система работы в режиме низкой нагрузки, обладающая топливной экономичностью, как показано в строке В(bp) на фиг.13, включает следующее. Может быть выбрана номинальная степень сжатия, составляющая 13:1, и степень расширения, составляющая 19:1. Величина последней устанавливает объем камеры сгорания, а первая устанавливает максимальное давление заряда (но не максимальное давление в цилиндре) приблизительно равным 530 фунтов/дюйм2 (3,66 МПа) при адиабатическом сжатии. Блок 27 выдает сигнал клапанам 5 и клапану 6 на рециркуляцию воздуха, нагнетаемого через компрессор 2, назад через компрессор 2 без его сжатия или для любого типа компрессора, на открытие запорного клапана для отходящих газов с направлением воздуха в обход компрессора. Клапан 5 направляет заряд в обход охладителя 10 на впуск компрессора 1. Компрессор 1 осуществляет адиабатическое сжатие заряда со степенью сжатия, составляющей приблизительно 7:1. Блок 27 отслеживает, происходит ли обход охладителей 11 и 12, и вводит заряд в коллекторы 13 и 14, при этом заряд сохраняет температуру, полученную при сжатии. Если закрытие выпускных клапанов 17, 17' и открытие впускных клапанов 16, 16' цилиндра 7 происходит в непосредственной близости от конца хода сжатия поршня 22, то эффективная степень сжатия может быть понижена до 2:1, создавая "номинальную" степень сжатия, составляющую 14:1. (Если закрытие выпускных клапанов 17, 17' и открытие впускных клапанов 16, 16' происходит несколько раньше в ходе выхлопа, давление нагнетаемого зарядного воздуха будет ниже, а "эффективная" степень сжатия, обуславливающая выделение тепла при внутрицилиндровом сжатии, будет больше. Если открытие впускных клапанов 16, 16' происходит в середине хода, после закрытия выпускных клапанов 17, 17', а требуемая номинальная степень сжатия составляет 13:1 с эффективной степенью сжатия, равной 4:1, то заряд, поступивший в середине хода в цилиндр, будет сжат со степенью, равной 4:1.) Затем происходит сжатие неохлажденного заряда в цилиндре с эффективной степенью сжатия, равной 4:1, и, в любом случае, с давлением, составляющим приблизительно 530 фунтов/дюйм2 (3,66 МПа), и температурой, равной 900oF (482oС). Затем происходит воспламенение топливно-воздушного заряда и его расширение с воздействием на поршень до полного объема силового цилиндра со степенью расширения, равной 19:1.
При возникновении потребности в большой мощности блок 27 может подать управляющий сигнал на закрытие клапанов 4 и 6. Затем компрессор 2 начинает сжимать воздушный заряд до несколько повышенного давления, в это же время блок 27 откроет клапаны 3 и 5 с направлением зарядного воздуха через охладители 10, 11 и 12. Вследствие того что зарядный воздух охлажден, может быть даже до 150o-200oF (66o-93oC), в двигатель, в зону наддува, нагнетается большее количество воздуха посредством дополнительной ступени 2 сжатия для предотвращения существенного падения давления зарядного воздуха вследствие его охлаждения перед сгоранием. При этом заряд воздуха в камере сгорания сжат со степенью сжатия, равной 2:1 (строка B(ic) на фиг.13), и его давление удерживается вблизи расчетного, в данном случае составляющего приблизительно 500-530 фунтов/дюйм2 (3,45-3,66 МПа), и охлажден для существенного повышения плотности заряда, крутящего момента и мощности двигателя. Менее горячий заряд воздуха обеспечивает пониженные максимальные температуру и давление и в сочетании с большой турбулентностью служит причиной образования пониженного количества несгоревших углеводородов, окислов азота NOx и других загрязняющих выбросов, а наличие в выхлопе дыма и частиц практически устранено даже при весьма богатой топливно-воздушной смеси. Затем происходит воспламенение топливно-воздушного заряда и его расширение до полного объема цилиндра со степенью расширения, равной 19:1, тогда как эффективная степень сжатия составляет только 2:1 (см. строку B(ic) на фиг.13).
При любом алгоритме работы в предложенном двигателе может быть осуществлен наддув, обеспечивающий более высокий уровень мощности, чем тот, что развивают известные двигатели, поскольку в большинстве случаев впускной клапан закрыт во время заполнения камеры сгорания, а заряд менее нагретого воздуха препятствует детонации и снижает загрязняющие выбросы. В большинстве случаев время пребывания топлива также меньше времени, необходимого для возникновения условий, предшествующих детонации.
При необходимости в небольшой мощности, как например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме небольшой нагрузки, работа двигателя может быть снова переведена на режим небольшой нагрузки, например одна ступень сжатия может быть выведена из работы, а заряд воздуха направлен в обход первого охладителя 10, при этом рециркуляция заряда воздуха обеспечивается клапанами 5 и 6. Клапан-задвижка 3 и воздушный перепускной клапан 4 могут направлять весь заряд от компрессора 1, минуя охладители 11 и 12, с сохранением выделившегося при сжатии тепла, в коллекторы 13 и 14 и к цилиндру для режима работы с меньшей плотностью и с улучшенной экономией топлива.
На фиг.8 показан вид головки блока цилиндров двигателя, изображенного на фиг.8-11 и 25, на котором показаны дополнительные впускные клапаны, уравновешенные давлением, охлаждение которых обеспечивается посредством трубопроводов вместе с впускным трубопроводом 29 и выпускным трубопроводом 29', возвратными клапанами (не показаны), обеспечивающими возможность расширениям 28 на стержнях клапана при их возвратно-поступательном движении вместе с впускными клапанами 16 нагнетать охлаждающее и смазывающее масло или воздушно-масляную смесь через зазоры, расположенные выше расширений стержня клапана.
Уравновешенные давлением впускные клапаны 16, 16', изображенные на фиг. 8, 11 и 25, а также клапаны 16-А, изображенные на фиг.9 и 10, предусмотрены для быстрого закрытия впускного клапана и обеспечивают возможность выполнения больших не ограничивающих впускных клапанов, меньших, чем нормальные возвратные пружины клапана. (Когда впускной клапан открыт, почти сразу же устанавливается равенство давлений под головкой клапана в камере сгорания и над головкой клапана в подводящем питателе, затем давление в подводящем питателе, воздействуя на поршнеобразные устройства на стержне клапана, проявляет тенденцию, направленную на перемещение стержня клапана по наклону профиля кулачка для быстрого закрытия клапана. В предлагаемых двигателях может быть также применен новый приводимый в действие давлением впускной клапан "Magnavox", имеющий характеристики срабатывания, близкие к прямоугольной.
Работа впускного клапана, уравновешенного давлением, происходит следующим образом.
Впускные клапаны, уравновешенные давлением, имеют расширения 28 на стержнях клапана, нижние поверхности которых открыты для воздействия газов в трубопроводе 15А. Когда стержень клапана прижат кулачком 21 и клапан (клапаны) 16 открыт (открыты), как показано на фиг.8-11 и 25, любое давление в трубопроводе 15-А уравновешено давлением в камере сгорания, и в это время единственной силой реакции является сила, создаваемая давлением в трубопроводе 15-А, воздействующая на нижнюю сторону расширений 28 стержней клапана, вызывая быстрое закрытие клапана. Обратные клапаны (не показаны) во впускном и выпускном каналах 29 и 29' предусмотрены предпочтительно для впуска масла или масляно-воздушной смеси через зазоры над расширениями 28 или в другом случае через расширения 28 стержня клапана. Впуск масла может осуществляться в нижней точке головки цилиндров, где происходит сбор масла с подачей его в охлаждающую систему. В другом варианте выполнения линия 29 впуска масла может быть соединена с линией подвода масла или масляно-воздушной смеси. Впускной трубопровод 29 и выпускной трубопровод 29', проходящий от охлаждающей системы, снабжены обратными клапанами, а выпускной трубопровод 29' может быть расположен выше впускного трубопровода 29 либо может быть присоединен к линии слива масла, ведущей в масляный резервуар двигателя. Расширения 28 могут также иметь проходящий сквозь них канал, на каждом конце которого имеется по обратному клапану. Ввиду того что выпускные клапаны всегда трудно охлаждать, такая система может обеспечить достаточное охлаждение выпускных клапанов, даже если в выпускном трубопроводе отсутствует большое давление. Эта система может быть применена в выпускных клапанах 17, от которых начинаются выпускные окна 18, или в выпускных клапанах любых двигателей для обеспечения долгого срока эксплуатации выпускных клапанов и их седел.
В больших двигателях ведущие от насосов линии, описанные здесь, могут быть преобразованы в более крупные линии, а обеспечиваемое ими нагнетание масла в описываемом двигателе может заменить обычные масляные насосы.
Двигатель 1009, изображенный на фиг.9
На фиг. 9 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1008 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, который имеет один впускной трубопровод для атмосферного воздуха и в котором все цилиндры 7a-7f (в разрезе показан только один цилиндр 7f) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по двухтактному циклу, причем все силовые цилиндры используются так, что они производят шесть рабочих ходов за один оборот коленчатого вала 20 для выработки мощности и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Основой компрессор 1, изображенный на данном чертеже в виде поршневого компрессора двойного действия, совместно с воздушными трубопроводами подает сжатый воздух по меньшей мере к одному впускному клапану 16-А и 16-В (к последнему из них только в случае подвода основного заряда к клапану 16-В через трубопровод 15). Дополнительный компрессор 2 конструкции Lysholm'a изображен подключенным последовательно с компрессором 1. Впуск 8 для воздуха и соединенные с ним компрессоры 1 и/или 2 совместно с впускными трубопроводами и коллекторами 13 и 14 подводят зарядный воздух, сжатый до давления, несколько превышающего атмосферное, к впускному воздушному питателю 15-А и впускному клапану 16-А цилиндра 7. Второй трубопровод 32 направляет заряд воздуха от трубопровода 110 через дополнительный запорный клапан 33 к впускному клапану 16-В с подводом воздуха низкого давления к этому же цилиндру. В другом случае второй трубопровод 15-В, идущий от трубопровода 15-А, может быть оснащен регулирующим клапаном 25 (оба изображены на чертеже штрих-пунктирными линиями) и может направлять заряд воздуха, имеющий пониженное давление, к впускному клапану 16-В. Промежуточные охладители 10, 11 и 12 и регулирующие клапаны 3, 4, 5 и 6 применяются для содействия регулирования плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха. Работа впускных клапанов синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.
Двигатель, изображенный на фиг.9, 11 и 25, имеет распределительный вал 21 с кулачками и установлен с возможностью вращения со скоростью коленчатого вала двигателя для создания одного рабочего хода для каждого силового поршня на каждый оборот коленчатого вала.
Двигатель 1009, изображенный на фиг.9, характеризуется более завершенным процессом расширения и пониженной степенью сжатия, чем это характерно для известных двигателей, и может создавать заряд топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет такое же или более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем (БУД) и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, создают систему регулирования давления, плотности и температуры заряда, а также среднего и максимального давления в цилиндре, что обеспечивает возможность повышения экономии топлива и выработки повышенной мощности и повышенного крутящего момента при всех скоростях вращения двигателя в сочетании с низкими загрязняющими выбросами как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения система изменения синхронизации клапанов совместно с БУД 27 может также регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16-А или 16-В или их обоих с дальнейшим обеспечением усовершенствованного управления параметрами в камере сгорания для получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности, сопровождаемых низкими уровнями расхода топлива и загрязняющих выбросов.
Краткое описание работы двигателя 1009, изображенного на фиг.9
Работающий по новому циклу двигатель 1009, изображенный на фиг.9, является высокоэффективным двигателем, обладающим высокой мощностью и более высоким крутящим моментом, а также низким расходом топлива и небольшими загрязняющими выбросами.
Новый цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В этом цикле часть всасываемого воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) сжимают по меньшей мере одним дополнительным компрессором. Подъем температуры в конце сжатия может быть снижен путем применения охладителей воздуха, охлаждающих сжатый воздух, а также более коротким ходом сжатия.
Во время работы двигателя воздух, давление которого повышено, возможно на одну треть атмосферы или одну атмосферу (0,033-0,1 МПа) или более, через впускной воздушный трубопровод 32, ведущий от дополнительного компрессора 2, подают к клапану 16-В силового цилиндра 7, или воздух по трубопроводу 15-В через регулирующий клапан 25 поступает к этому клапану 16-В. Второй воздушный трубопровод 15-А выборочно подает под высоким давлением зарядный воздух ко второму впускному клапану 16-А, ведущему в тот же цилиндр 7. (В этом варианте выполнения впускной клапан 16-В впускает воздух низкого давления после того, как при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки в рабочем ходе открываются выпускные клапаны 17 и происходит сброс выхлопных газов.) Сброс выхлопных газов происходит после открытия клапана (клапанов) 17, затем происходит быстрое открытие и закрытие впускного клапана 16-В для впуска продувочного воздуха низкого давления. Дальнейшую продувку цилиндра 7 выполняют путем петлевой продувки, когда поршень 22 начинает свой ход сжатия. Впускной клапан 16-В при этом закрыт, и поршень 22 поднимается в ходе сжатия до точки, где начинается сжатие, причем при нахождении поршня в этой точке происходит закрытие выпускного клапана 17, герметизирующее цилиндр 7 и устанавливающее степень сжатия. Сжатие продолжается, и при нахождении поршня вблизи верхней мертвой точки, в надлежащей точке, при наличии в заряде топлива, происходит воспламенение заряда искрой или воспламенение от сжатия, и осуществляется рабочий ход.
Для повышения плотности заряда при возникновении потребности в повышенной мощности в силовой цилиндр из трубопровода 15-А посредством быстро закрывающегося впускного клапана 16-А, подводящего заряд воздуха высокого давления, может быть подан дополнительный заряд воздуха либо в момент закрытия выпускных клапанов 17 во время хода сжатия, либо после него. В другом случае основной заряд воздуха может быть сжат до более высокого давления путем регулирования воздушного перепускного клапана 6 для направления большего количества воздуха через компрессор 2 путем повышения скорости вращения компрессора 2 или путем изменения настройки регулирующего клапана 25 на трубопроводе 15-В, который в другом случае подает основной заряд воздуха низкого давления к впускному клапану 16-В. Температуру, давление, количество и точку, в которой происходит нагнетание дополнительного заряда, если такое нагнетание имеет место, регулируют для получения требуемых результатов.
Для работы с низкой нагрузкой блокиратор 31 впускного клапана (известно несколько видов блокираторов, например, производимых компаниями Eaton Corp. и Cadillac) может блокировать впускной клапан 16-А, когда условия работы не требуют высокого среднего эффективного давления в цилиндре. В другом случае в то время как воздух низкого давления к впускному клапану 16-В подается трубопроводом 15-В, клапан 6 может быть открыт для рециркуляции некоторого количества зарядного воздуха назад через компрессор 2 для освобождения компрессора от работы сжатия при низкой нагрузке. Кроме того, предпочтительно, для понижения давления и плотности дополнительного заряда, поступающего через впускной клапан 16-А, воздушный перепускной клапан 4 может осуществлять рециркуляцию всего воздуха, нагнетаемого компрессором 1, или его части назад на впуск компрессора 1.
Один предлагаемый, предпочтительный способ работы двигателя 1009, работающего по новому циклу, включает следующее:
1. Поступающий воздух под давлением, превышающим атмосферное, который был сжат по меньшей мере одним компрессором 2 и температура которого отрегулирована посредством перепускных систем или охладителем 10, подают в цилиндр 7 через впускной клапан 16-В, открываемый посредством небольшого выступа на кулачке 21-В при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки, в конце рабочего хода (возможно, в самой нижней мертвой точке) после того, как для сброса выхлопных газов несколько ранее открылся (открылись) выпускной клапан (выпускные клапаны) 17, 17', например при нахождении поршня за 40o до нижней мертвой точки. Для дальнейшей продувки цилиндра 7 выпускные клапаны остаются открытыми и после прохождения поршнем нижней мертвой точки. Впускной клапан 16-В закрывается при нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки.
2. Для дальнейшей продувки цилиндра свежим зарядом воздуха в текущий момент и далее, а также для установления низкой степени сжатия двигателя, после завершения рабочего хода и заполнения цилиндра 7 свежим зарядом клапан (клапаны) 17 остается (остаются) открытым (открытыми) на некоторое время после прохождения поршнем нижней мертвой точки (при этом впускной клапан 16-В закрыт), причем степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана 17, поделенным на объем камеры сгорания.
3. Теперь, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, продолжается ход сжатия (второй такт), при нахождении поршня в определенной точке происходит закрытие выпускного клапана 17, и начинается сжатие с низкой степенью сжатия. Это обеспечивает возможность снижения подъема температуры во время хода сжатия. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно еще не присутствует в заряде, при нахождении поршня в надлежащей точке вблизи верхней мертвой точки происходит воспламенение заряда, и осуществляется рабочий ход.
4. (а) В другом случае, при возникновении потребности в повышенной мощности дополнительный сжатый заряд воздуха с отрегулированной температурой нагнетают в цилиндр 7 посредством впускного клапана 16-А, открывающегося и быстро закрывающегося во время хода сжатия при нахождении поршня в точке, в которой закрывается выпускной клапан или несколько позже в этом ходе, с созданием более плотного заряда для обеспечения требуемого крутящего момента и требуемой мощности двигателя.
(b) При возникновении потребности в еще более высокой мощности плотность и вес дополнительного заряда воздуха могут быть повышены путем пропускания этого заряда по меньшей мере через один промежуточный охладитель 10, 11 и 12, а также путем увеличения скорости вращения компрессора или подключения другой ступени дополнительного сжатия, или пропусканием повышенного количества зарядного воздуха через работающие компрессоры.
5. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускные клапаны 17, 17' открываются, и цилиндр эффективно продувается путем сброса выхлопных газов, а также воздухом, нагнетаемым основным впускным клапаном 16-В.
Подробное описание работы двигателя 1009, изображенного на фиг.9
При нахождении поршня 22 вблизи конца рабочего хода (первого такта), возможно за 40o до нижней мертвой точки положения поршня, открываются выпускные клапаны 17 для сброса выхлопных газов, вскоре после того как воздух низкого давления протечет через трубопровод 32 от трубопровода 106, через дополнительный запорный клапан 33 и компрессор 2 или в другом варианте через трубопровод 15-В, питаемый клапаном 25, регулирующим давление, из линии 15-А сжатого воздуха (как показано на фиг.9 и 10), через впускной клапан 16-В в цилиндр 7. Впускной клапан 16-В закрывается вскоре после прохождения поршнем нижней мертвой точки или, возможно, именно при нахождении поршня в нижней мертвой точке. Выпускные клапаны 17 остаются открытыми во время первой части хода сжатия (второго такта) поршня 22. В это время цилиндр 7 эффективно продувается путем сброса выхлопных газов, а также путем петлевой продувки при нахождении поршня в любой точке во время хода сжатия, и когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, выпускные клапаны 17, 17' могут закрыться. Но если требуется низкая степень сжатия, выпускные клапаны 17, 17' могут удерживаться открытыми до достижения поршнем точки, требуемой для установления определенной степени сжатия. В момент закрытия выпускных клапанов 17 и 17' или несколько позже дополнительный заряд воздуха высокого давления, имеющий отрегулированную температуру и сжатый компрессором (компрессорами), может подаваться впускным клапаном 16-А в тот же цилиндр, после чего впускной клапан 16-А закрывается. Кроме того, при возникновении потребности в очень большом крутящем моменте и большей мощности плотность дополнительного зарядного воздуха может быть значительно увеличена путем подключения компрессора 2 или путем увеличения скорости вращения этого компрессора 2, если он уже работает, как показано на фиг.9, направляя большее количество воздуха через компрессоры 1 и/или 2 клапанами 4 и/или 6, а также частичным или полным пропусканием заряда через охладители 10, 11 и 12.
В этой системе независимо от точки закрытия выпускных клапанов для установления степени сжатия основной заряд свежего воздуха, находящийся в замкнутом объеме цилиндра 7, будет легче по весу, чем нормальный заряд, а степень сжатия будет ниже нормальной, таким образом при необходимости сильно сжатый заряд воздуха отрегулированной температуры может подаваться в момент закрытия выпускного клапана или несколько позже в этом ходе для обеспечения заряда, более тяжелого, чем нормальный, подъем температуры которого сдержан охлажденным зарядом и коротким ходом сжатия. При сгорании это создает среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем нормальное, с получением большого крутящего момента и большой мощности, однако со степенью расширения, все еще превышающей степень сжатия.
При работе с низкой нагрузкой запорный клапан 33 или блокиратор 31 клапана (изображен штрих-пунктирной линией) на впускном клапане высокого давления могут временно задерживать поступающий воздух либо удерживать клапан 16-А закрытым. Это способствует повышению экономии топлива в двигателе. В другом случае, если компрессор 2 не подает воздух к трубопроводу 32 и впускному клапану 16-В, во время работы в режиме низкой нагрузки клапан-заслонка 5 может быть закрыт, а клапан 6 может быть открыт, так что нагнетаемый компрессором 2 воздух будет частично или полностью возвращен к впускному трубопроводу компрессора 2 с осуществлением небольшого его сжатия или совсем без сжатия.
Для предотвращения любого обратного тока зарядного воздуха в трубопровод 15-А, если давление цилиндра 7 приблизится к давлению в трубопроводе 15-А или превысит его во время хода сжатия поршня 22 до закрытия впускного клапана 16-А, может быть установлен дополнительный автоматический впускной клапан 26, как показано на фиг.10.
В другом случае дополнительный автоматический клапан 26, изображенный на фиг. 10, может быть использован для получения постоянного или переменного коэффициента давления в цилиндре 7. В этом случае клапан 16-А будет удерживаться открытым вплоть до достижения поршнем верхней мертвой точки, а время закрытия клапана 26 будет регулироваться перепадом давления в цилиндре 7, регулируемыми клапанами 3, 4, 5 и 6, с помощью производительности компрессора(ов) и посредством любого присутствующего дроссельного клапана. Автоматический клапан 26 может быть выполнен в виде подпружиненного диска, выполненного из металла или керамических материалов.
Топливо может образовывать смесь с воздухом, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.15-17, 19 и 20, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру (аналогичную той, что изображена на фиг.21), или через впускной клапан 16-А, или непосредственно в камеру сгорания при нахождении поршня в точке x во время хода выпуска-сжатия, в момент прохождения поршнем 22 точки x в ходе сжатия или несколько позже. Топливо может быть также введено позже, а в случае работы с воспламенением от сжатия может быть введено в точке, обычной для ввода дизельного топлива, возможно в предкамеру или непосредственно в камеру сгорания, возможно способом, изображенным на фиг. 21, или непосредственно на запальную свечу. После ввода заряда воздуха, имеющего отрегулированную температуру и плотность, если такое нагнетание применяется, продолжается сжатие заряда и при наличии топлива заряд воспламеняется в надлежащее время для осуществления хода расширения. (Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся после достижения поршнем точки x, поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения определяют путем деления полного рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания.)
После этого происходит воспламенение топливно-воздушной смеси, и осуществляется рабочий ход (второй такт) поршня 22 при расширении выхлопных газов. Вблизи нижней мертвой точки рабочего хода клапан (клапаны) 17, 17' открывается (открываются), и цилиндр 7 эффективно продувается сбросом выхлопных газов и путем петлевой продувки в конце рабочего хода и в основном во время изменения направления движения поршня 22.
Понятно, что чем позже в ходе сжатия достигается точка x (чем позже закрывается выпускной клапан), тем ниже степень сжатия двигателя и меньше нагревается заряд во время сжатия.
Понятно также, что чем позже происходит впуск заряда, отрегулированного по температуре и плотности, тем меньшая работа двигателя требуется для сжатия заряда, причем последнюю часть заряда несколько сжимают ранее компрессором 1 и/или дополнительным компрессором 2. В некоторых случаях, когда нагрузка низка и важна экономия топлива, дополнительный заряд воздуха может быть пущен в обход дополнительного компрессора, возможно с временным прекращением его подачи, а полный вес заряда может быть меньше заряда известного двигателя, что вместе с увеличенной степень расширения обеспечивает еще более хорошую экономию топлива.
Во время работы указанного двухтактного двигателя, изображенного на фиг. 9 и 9В, в режиме низкой нагрузки, например при движении транспортного средства с установившейся скоростью или при выработке энергии в режиме низкой нагрузки, подача дополнительного заряда воздуха может быть исключена путем временного блокирования впускного клапана 16-А высокого давления (известно несколько видов систем, блокирующих клапан, выпускаемых, например, компаниями Eaton, Cadillac и др.), или же подход воздуха к впускному клапану 16-А может быть перекрыт, и двигатель будет по прежнему обеспечивать повышенную экономию топлива и повышенную мощность, тогда как заряд воздуха подается компрессором 1 или 2 через трубопроводы 15-А, 110, 32 и впускной клапан 16-В.
Двигатель 1009-В, изображенный на фиг.9В
На фиг. 9-В схематично показан поршневой шестицилиндровый двигатель 1009-В внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, который в основном идентичен двигателю 1009, изображенному на фиг.9. Параметры, работа и конструкция двигателя 1009-В, изображенного на фиг.9-В, по существу аналогичны указанным параметрам двигателя 1009, изображенного на фиг.9, и в описании не повторяются за исключением выделения специфических пунктов отличия. В описании даны ссылки на ранее представленные разделы, относящиеся к параметрам, конструкции и работе (в кратком и подробном изложении) двигателя 1009, изображенного на фиг.9.
Основным отличием двигателей 1009 и 1009-В является то, что двигатель 1009-В представляет вариант выполнения двигателя 1009, в котором компрессоры 1, 2 являются компрессорами различных типов. То есть в двигателе 1009-В основной компрессор 1 изображен в виде ротационного компрессора Lysholm'a (в противоположность поршневому компрессору двигателя 1009), а дополнительный компрессор 2 является турбокомпрессором (в противоположность компрессору Lysholm'a двигателя 1009). Несмотря на то что трубопровод 32 от трубопровода 110 (обозначенного номером 106 позиции на фиг.9) и дополнительного запорного клапана 33 изображен ведущим к впускным клапанам 16-В только двух цилиндров двигателя, понятно, что другие впускные питатели (не показаны) подают воздух от трубопровода 110 к остальным впускным клапанам 16-В двигателя или что трубопровод 32 ведет к "воздушной камере" или к коллекторам, подводящим воздух ко всем впускным клапанам 16-В.
На фиг. 10 изображен такой же двигатель и такая же функциональная система, какие описаны применительно к двигателям, показанным на фиг.9 и 9В, однако этот двигатель имеет дополнительную особенность, заключающуюся в том, что дополнительный впускной клапан 16-А имеет вспомогательный клапан 26, автоматически предотвращающий обратный ток зарядного воздуха из цилиндра 7. Эта особенность предотвращает возникновение любого обратного тока во время хода сжатия предлагаемого двигателя, если давление в цилиндре приблизится к давлению в трубопроводе 15-А или превысит его до того, как впускной клапан 16-А будет полностью закрыт. (Этот дополнительный автоматический клапан 26 может быть выполнен в виде клапана с подпружиненным диском или в виде любого одноходового клапана.) Автоматический клапан на этом месте может применяться для регулирования коэффициента давления в цилиндре 7 во время сжатия заряда. В этом случае впускной клапан 16-А может удерживаться открытым вплоть до достижения поршнем верхней мертвой точки, при этом клапан 26 автоматически закрывает впуск за клапаном 16-А во время сжатия, воспламенения заряда и рабочего хода. Кроме того, применение автоматического клапана 26 дает возможность регулирования коэффициента давления двигателя путем простого регулирования давления в трубопроводе 15-А с удержанием впускного клапана 16-А в открытом состоянии вплоть до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки. Дополнительный клапан 26 при его наличии также придает заряду топливной смеси тангенциально ориентированную вихревую турбулентность, так как этот клапан экранирует впускной клапан 16-А.
Двигатель 10011, изображенный на фиг.11
На фиг.11 показан поршневой шестицилиндровый двигатель 10011 внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом с одним впуском для атмосферного воздуха, причем в этом двигателе все цилиндры 7a-7f (только один (7f) из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22a-22f работают по двухтактному циклу, а все силовые цилиндры используются для выработки энергии и передачи ее общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19а-19f. Основной компрессор 1, изображенный на чертеже в виде поршневого компрессора двойного действия, совместно с воздушными трубопроводами, как показано на чертеже, подводит сжатый воздух по меньшей мере к одному впускному клапану 16а и 16b цилиндра. Дополнительный компрессор 2 типа Lysholm'a установлен последовательно с компрессором 1. Воздушный впуск 8 и связанные с ним впускной трубопровод и коллекторы 13 и 14 подводят заряд воздуха, сжатый до давления, превышающего атмосферное, к впускному трубопроводу 15 цилиндра, подающему зарядный воздух к двум работающим независимо друг от друга, но открывающимся в один цилиндр, впускным клапанам 16а и 16b. Для содействия регулированию плотности, веса, температуры и давления заряда воздуха используются промежуточные охладители 10, 11 и 12 и регулирующие клапаны 3, 4, 5 и 6. Работа впускных клапанов синхронизирована для регулирования степени сжатия двигателя. Камера сгорания имеет размеры, обеспечивающие получение определенной степени расширения двигателя.
Двигатель 100, изображенный на фиг. 8, 9, 10 и 11, имеет распределительные валы 21 с кулачками, установленные с возможностью вращения со скоростью вращения коленчатого вала двигателя для обеспечения одного рабочего хода каждого поршня на каждый оборот коленчатого вала.
Двигатель 10011, изображенный на фиг.11, характеризуется более продолжительным процессом расширения, низкой степенью сжатия и способен создавать заряд топливной смеси, вес которого изменяется от веса, меньшего, чем нормальный вес, до веса, превышающего нормальный вес, а также способен выборочно обеспечивать среднее эффективное давление в цилиндре, более высокое, чем это имеет место в известных конструкциях обычных двигателей, и имеет также более низкое максимальное давление в цилиндре по сравнению с известными двигателями. Блок 27 управления двигателем и регулируемые клапаны 3, 4, 5 и 6 на трубопроводах, как показано на чертеже, образуют систему регулирования давления, плотности и температуры заряда, а также среднее и максимальное давление внутри цилиндра с обеспечением повышенной экономии топлива, выработки повышенной мощности и повышенного крутящего момента при всех скоростях вращения, а также при низких загрязняющих выбросах как для двигателей с искровым зажиганием, так и для двигателей с воспламенением от сжатия. В других вариантах выполнения система изменения синхронизации клапанов совместно с БУД 27 может регулировать время открытия и закрытия впускных клапанов 16а и 16b или их обоих для дальнейшего обеспечения усовершенствования управления параметрами в камере сгорания с обеспечением возможности получения более пологой характеристики крутящего момента и более высокой мощности при низких уровнях расхода топлива и загрязняющих выбросов.
Краткое описание работы двигателя 10011, изображенного на фиг.11
Работающий по новому циклу двигатель 10011, изображенный на фиг.11, является высокоэффективным двигателем, развивающим высокую мощность и высокий крутящий момент при низком потреблении топлива и низких загрязняющих выбросах.
Новый цикл является циклом сгорания с внешним сжатием. В этом цикле часть поступающего воздуха (который целиком сжимают в силовых цилиндрах известных двигателей) сжимают дополнительным компрессором. Подъем температуры в конце сжатия может быть снижен с применением охладителей воздуха, охлаждающих поступающий воздух, а также более коротким ходом сжатия.
Во время работы воздух к цилиндру 7 подают под давлением, которое повышено, возможно, на величину, составляющую от 0,33 атмосферы (0,033 МПа) до нескольких атмосфер или более, через впускной воздушный трубопровод 15. Клапан 16b открывается давлением, прикладываемым к верхней части стержня клапана весьма малым выступом на кулачке 21-А, на короткий период времени при нахождении поршня 22 вблизи нижней мертвой точки для продувки цилиндра и поступления свежего зарядного воздуха. Выпускные клапаны 17, 17' открываются для выпуска выхлопных газов немного раньше открытия впускного клапана 16b для впуска продувочного воздуха. Цилиндр 7 эффективно продувается в основном во время изменения поршнем 22 направления движения. Во время первой части хода сжатия, возможно через 10-20o после прохождения поршнем 22 нижней мертвой точки, первый впускной клапан 16b закрывается, несколько позже закрываются выпускные клапаны 17, 17', причем при нахождении поршня в точке их закрытия, задающей степень сжатия двигателя, начинается сжатие заряда свежего воздуха. При нахождении поршня в точке закрытия выпускных клапанов 17, 17' или в любой точке после этого предпочтительно открывается второй впускной клапан 16а и, возможно, клапан 16b посредством второго выступа 21-С для поступления, если это необходимо, дополнительного количества заряда, имеющего отрегулированные температуру и плотность.
Блокиратор 31 впускного клапана, изображенный на фиг.10 (известно несколько их конструкций, например, производимых компаниями Eaton Corp. и Cadillac), может блокировать впускной клапан 16а, когда при работе в режиме низкой нагрузки не требуется высокое среднее эффективное давление в цилиндре. В другом случае частично или полностью открывается воздушный перепускной клапан 6 для рециркуляции всего зарядного воздуха или его части назад через компрессор 2 для освобождения компрессора от работы сжатия во время работы в режиме низкой нагрузки. Кроме того, воздушный перепускной клапан 4 может при необходимости обеспечивать частичную или полную рециркуляцию воздуха, нагнетаемого компрессором 1 для понижения давления и плотности заряда.
Один предлагаемый предпочтительный способ работы двигателя 10011, работающего по новому циклу, включает следующее:
1. Воздух, поступающий под давлением, превышающим атмосферное давление, сжатый по меньшей мере одним компрессором и имеющий температуру, отрегулированную перепускными системами и охладителями зарядного воздуха, подают в цилиндр 7 через впускной клапан 16b, открываемый весьма малым выступом 21-D на кулачке 21-А при нахождении поршня 22 в нижней мертвой точке в конце рабочего хода или вблизи нее, так как выпускной клапан (клапаны) 17а, 17а' для сброса выхлопных газов открылся (открылись) несколько раньше (возможно за 40o до нижней мертвой точки). Выпускной клапан 17 остается открытым до достижения поршнем нижней мертвой точки для эффективной продувки цилиндра 7 путем сброса и петлевой продувки. Впускной клапан 16b закрывается после того, как свежий заряд высокого давления очень быстро продует цилиндр 7.
2. После завершения рабочего хода выпускные клапаны 17 оставляют открытыми на некоторое время после прохождения поршнем нижней мертвой точки (впускной клапан 16b при этом закрыт) для продолжения продувки силового цилиндра свежим зарядом воздуха и, кроме того, для установления низкой степени сжатия двигателя, причем степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана 17, поделенным на объем камеры сгорания.
3. Теперь, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом под давлением, приблизительно равным атмосферному, продолжается ход сжатия (второй такт) и при нахождении поршня в точке закрытия выпускного клапана начинается сжатие с небольшой степенью сжатия. Это создает возможность уменьшения подъема температуры во время хода сжатия. Сжатие продолжается, добавляют топливо, если оно отсутствует в заряде, при нахождении поршня в надлежащей точке вблизи верхней мертвой точки заряд воспламеняют, и осуществляется рабочий ход.
4. (а) В другом случае при нахождении поршня в любой, определенной как надлежащая, точке в момент закрытия выпускного клапана и начала сжатия заряда или позже этого момента дополнительный заряд воздуха, имеющий отрегулированную плотность и температуру, могут вводить через впускной клапан 16а и, возможно, посредством второго выступа 21-С на кулачке 21-А, через впускной клапан 16b. Сжатие продолжается с нагнетанием дополнительного заряда воздуха, добавляют топливо, если оно отсутствует, заряд воспламеняют, и сгорание вызывает сильное расширение газообразных продуктов сгорания с выделением большого количества энергии. Эта энергия преобразуется двигателем в большой крутящий момент и большую мощность.
(b) При возникновении потребности в еще более повышенной мощности плотность и вес заряда воздуха могут быть увеличены путем его пропускания через по меньшей мере один промежуточный охладитель, а также путем увеличения скорости вращения компрессора или подключением второй ступени 2 дополнительного сжатия, изображенной на фиг.11. В другом случае временно может быть изменена синхронизация закрытия выпускного клапана 17 и открытия впускного клапана 16а соответственно для более раннего закрытия и более раннего открытия для получения увеличенного заряда.
5. При нахождении поршня вблизи нижней мертвой точки выпускные клапаны 17, 17' открываются, и цилиндр продувается путем сброса и воздухом, вводимым основным впускным клапаном 16b.
Подробное описание работы двигателя 10011, изображенного на фиг.11
Вблизи конца рабочего хода (первого такта) поршня 22, возможно за 40o до положения нижней мертвой точки поршня 22, открываются выпускные клапаны 17 для сброса выхлопных газов, вскоре после этого воздух высокого давления протекает через трубопровод 15 от коллектора 13 и 14, как показано на фиг.11, через впускной клапан 16b в цилиндр 7, цилиндр 7 продувают, и впускной клапан 16b закрывается. (В головке 30 впускного клапана может быть выполнено углубление, как показано на фиг.11, для образования трубообразного отверстия, ведущего в цилиндр 7, с тем чтобы, когда зарядный воздух сильно сжат до давления, достигающего 500-530 фунтов/дюйм2 (3,45-3,66 МПа), небольшой выступ 21-D на кулачке 21-А впускного клапана 16b во время или непосредственно после изменения поршнем 22 направления движения в нижней мертвой точке обеспечивал впуск небольшой струи воздуха высокого давления, направленной вниз для петлевой продувки. ) Выпускные клапаны 17 остаются открытыми во время первой части хода сжатия (второго такта) поршня 22. Теперь цилиндр 7 эффективно продувается путем сброса или петлевой продувки, и при нахождении поршня в любой точке во время хода сжатия, когда цилиндр 7 наполнен свежим воздухом, выпускные клапаны 17, 17' могут закрыться. Но ввиду того, что требуется низкая степень сжатия, клапаны 17, 17' могут удерживаться открытыми до тех пор, пока поршень не достигнет точки, необходимой для установления соответствующей степени сжатия. В момент закрытия выпускного клапана 17 или позже дополнительный заряд воздуха высокого давления с отрегулированной температурой, сжатый компрессором 1 и/или 2, может вводиться в тот же цилиндр вторым впускным клапаном 16а и, если требуется, посредством другого выступа 21-С (изображенного штрих-пунктирными линиями) на первом клапане 16b. (При возникновении потребности в большом крутящем моменте и большой мощности плотность зарядного воздуха может быть значительно увеличена путем повышения скорости основного компрессора 1 или путем подключения другой ступени сжатия, как в компрессоре 2 (фиг.11), и направления заряда через дополнительные охладители 10, 11 и 12. Скорость компрессора 2 также может быть увеличена для нагнетания большего заряда на сторону наддува.) Сжатие продолжается с обеспечением небольшой степени сжатия, добавляют топливо, если оно отсутствует, воспламеняют заряд, и газы расширяются, воздействуя на поршень 22 с выполнением рабочего хода.
При работе с небольшой нагрузкой запорный клапан (или клапанный блокиратор 31, изображенный на фиг.10, на впускном клапане 16-А) может временно удерживать поступающий воздух или удерживать впускной клапан 16а закрытым. Это способствует повышению экономии топлива в двигателе. В другом случае во время работы в режиме небольшой нагрузки клапан-заслонка 5 может быть закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 открыт, так что нагнетаемый компрессором 2 воздух будет возвращен к впускному трубопроводу компрессора 2 без какого-либо сжатия. Таким же образом клапаны 3 и 4 могут вернуть часть нагнетаемого воздуха назад к впуску 106 компрессора 1.
Дополнительный автоматический впускной клапан 26, изображенный на фиг. 10, который может иметь конструкцию в виде подпружиненного диска, может быть установлен с возможностью предотвращения любого обратного тока зарядного воздуха в трубопровод 15, если давление в цилиндре сравняется с давлением в трубопроводе 15 во время хода сжатия поршня 22 или превысит его перед полным закрытием впускного клапана 16а. (Как и в других конструкциях двигателей, представленных в данном описании, дополнительный автоматический клапан 26, изображенный на фиг. 10, может применяться для регулирования коэффициента давления этого двигателя. При удержании впускного клапана 16а открытым вплоть до достижения поршнем верхней мертвой точки, закрытие клапана 26 и величина коэффициента давления цилиндра 7 будут регулироваться регулирующими клапанами 3, 4, 5 и 6 и изменением скорости компрессора, а также любым имеющимся дроссельным клапаном.) Автоматический клапан 26 закроет впуск из трубопровода 15 во время последней части хода сжатия, воспламенения заряда и во время рабочего хода.
Топливо может образовывать топливно-воздушную смесь, а также может впрыскиваться в корпус 56 дросселя, изображенный на фиг.15-17, 19 и 20, или в поступающий поток воздуха, или в предкамеру, или через впускные клапаны 16а, 16b (во время его второго открытия посредством выступа 21-С на кулачке 21-А), или непосредственно в камеру сгорания при нахождении поршня в точке x в ходе выпуска-сжатия или после этой точки. Топливо может также впрыскиваться позже, а в случае работы с воспламенением от сжатия оно может впрыскиваться в месте, в котором обычно происходит ввод дизельного топлива, возможно, в предкамеру, или непосредственно в камеру сгорания, или непосредственно на запальную свечу. После впуска заряда воздуха, отрегулированного по температуре и плотности, если такой впуск используется, сжатие заряда продолжается, и его воспламеняют вместе с присутствующим топливом в надлежащий момент времени для осуществления хода расширения. (Степень сжатия задана рабочим объемом цилиндра, остающимся после достижения поршнем точки x (при закрытии выпускного клапана), поделенным на объем камеры сгорания. Степень расширения определяют путем деления общего рабочего объема цилиндра на объем камеры сгорания. ) После этого заряд топливно-воздушной смеси воспламеняют, и происходит рабочий ход поршня 22 при расширении газообразных продуктов сгорания. Вблизи нижней мертвой точки рабочего хода клапан (клапаны) 17 открывается (открываются), и цилиндр эффективно продувается сначала путем сброса, а затем путем петлевой продувки воздуха из впускного клапана 16b в конце рабочего хода или небольшое время спустя.
Очевидно, что чем позже в ходе сжатия поршень достигнет точку x (чем позже закрывается выпускной клапан), тем ниже степень сжатия двигателя и тем меньше нагревается заряд при сжатии.
Очевидно также, что чем позже вводят имеющий отрегулированную температуру и плотность заряд, тем меньшая работа двигателя требуется для сжатия заряда, последняя часть которого уже была несколько сжата компрессором 1 и/или дополнительным компрессором 2. В некоторых случаях, когда нагрузка мала и важна экономия топлива, заряд воздуха может быть пущен в обход дополнительного компрессора, а дополнительный заряд воздуха может быть временно исключен, при этом общий вес заряда может быть меньше, чем вес заряда в известном двигателе.
На фиг. 12 показана диаграмма зависимости объема от давления в высокоскоростном дизельном двигателе в сравнении с такой же диаграммой предлагаемого двигателя, на которой показаны три ступени сжатия с промежуточным охлаждением и четвертая ступень сжатия без охлаждения со степенью сжатия, приблизительно равной 2:1. В такой схеме сочетаются оптимальная мощность с эффективностью, характерной для предлагаемого двигателя. (На таблицах, представленных на фиг. 13 и 14, показаны некоторые усовершенствования предлагаемого двигателя по сравнению с известными мощными двух- и четырехтактными двигателями.)
Существует несколько особенностей, улучшающих термический кпд предлагаемого двигателя. Отношение более высокой мощности к весу обеспечивает возможность создания более компактного двигателя с меньшими потерями на трение. Увеличенная степень расширения дает более высокий кпд термодинамического цикла, который продемонстрирован теоретическими расчетами. Существуют также определенные выигрыши в кпд в "ступенчатом" процессе сжатия даже с внешними компрессорами с присоединенными трубопроводами, промежуточными и дополнительными охладителями и т.д. Существуют весьма значительная экономия энергии при сжатии воздуха по ступеням с промежуточным охлаждением. Меньше энергии тратится при сжатии заряда до 500 фунтов/дюйм2 (3,45 МПа) в двух, трех или четырех ступенях с промежуточным охлаждением, чем расходуется на сжатие горячего заряда в известном двигателе до той же величины, составляющей 500 фунтов/дюйм2 (3,45 МПа). В обычном двигателе тратится приблизительно 20% своей мощности на сжатие собственного заряда воздуха. Расчеты показывают значительную экономию энергии в двигателе, если сжатие воздуха происходит поступенчато с последующим охлаждением. Сжатие заряда до давления, равного 531 фунт/дюйм2 (3,67 МПа) (степень сжатия составляет в этом случае 13:1), только двумя ступенями сжатия снижает расход энергии на 15,8% по сравнению со сжатием до того же давления одной ступенью, как это происходит в двигателях, работающих по циклам Отто и Дизеля. Три ступени сжатия с промежуточным охлаждением увеличивает экономию на 18%. Но эта экономия существует только в идеальном случае. Снижение параметра по сравнению с идеальным случаем не должно превысить 25%, что оставляет 13,5% экономии энергии. Эти 13,5% экономии энергии, умноженные на 20% затрат энергии в нормальном двигателе, расходуемых на сжатие его собственного заряда, составляют 2,7% повышения эффективности благодаря одному только процессу сжатия. Это является одним из преимуществ предлагаемого двигателя, которое добавляется к другим положительным изменениям термического кпд. Низкая степень сжатия совместно с большой степенью расширения обеспечивают повышение кпд, крутящего момента, мощности и срока службы при одновременном снижении загрязняющих выбросов.
Примечание 1. На фиг.12 расстояние по кривой, соответствующей двигателю (В), по оси абсцисс обозначает теоретический объем при повышенной плотности. Плотность удерживают на этом уровне при реальном объеме камеры сгорания (как показано штриховой линией V) независимо от плотности путем нагнетания увеличенного количества заряда в направлении наддува.
На фиг. 13 изображена таблица, в которой сравниваются различные эксплуатационные параметры предлагаемого двигателя (В) и рабочие параметры распространенного двухтактного дизельного двигателя (А) большой мощности.
Параметры, приведенные для двигателя (А), являются нормальными эксплуатационными параметрами для такого двигателя, например степень сжатия, температура сгорания, плотность заряда и т.д. Параметры, выбранные для характеристики двигателя (В), приведены при двух различных пониженных "номинальных" степенях сжатия с соответствующими "эффективными" степенями сжатия, с промежуточным охлаждением и без него, для двух различных уровней развиваемой мощности. Колонки, в которых приведены плотности заряда и степени расширения, указывают на наличие стабильных улучшений, относящихся к вырабатываемой мощности и плотности заряда, в двигателе (В) даже при значительно пониженной номинальной степени сжатия и эффективной степени сжатия, пониженной до 2:1, как показано на фиг.10. Колонки, в которых приведены пониженные температуры в конце сгорания, и колонка, в которой приведены увеличенные степени расширения, указывают на существенно сниженные загрязняющие выбросы. Показанные усовершенствования, относящиеся к мощности, вырабатываемой двигателем (В), по сравнению с двигателем (А) даже при пониженной номинальной степени сжатия составляют не менее 50%.
На фиг.14 представлена таблица, в которой сравниваются различные эксплуатационные параметры предлагаемого двигателя (В) и эксплуатационные параметры распространенного четырехтактного дизельного двигателя (А) большой мощности.
При сравнении этих параметров, аналогичном сравнениям, сделанным в отношении фиг. 13, очевидно, что поскольку двигатель (В) сжигает более плотный заряд вдвое чаще, чем двигатель (А), стабильные улучшения, относящиеся к вырабатываемой двигателем (В) мощности и плотности заряда, значительно выше, что составляет 180% по сравнению с двигателем (А).
На фиг.15 показан схематичный вид двигателя, представляющего двигатели, изображенные на фиг. 5-7 и 9-10, с отдельным охладителем 10 для дополнительного компрессора 2, с основным компрессором 1, питающим два коллектора 13 и 14 и имеющим отдельные охладители 11 и 12 и трубопроводы 114 и 115 для зарядного воздуха, причем каждый коллектор имеет по три впускных питателя цилиндра соответственно 15а-15с, 15d-15f. Двигатель, изображенный на фиг.15, работает так же, как двигатели, изображенные на фиг.5-7 и 9-10, и на чертеже показаны предлагаемые положения клапана-заслонки и воздушных перепускных клапанов для питания коллекторов 13 и 14 зарядом воздуха, параметры которого оптимальны для работы в режиме низкой нагрузки двигателей, изображенных на фиг. 5-7 и 9-10. При работе в режиме низкой нагрузки клапан-заслонка 5 может быть закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 компрессора 2 (если компрессор 2 не подает основной заряд воздуха непосредственно к трубопроводу 32 и впускному клапану 15-В) может быть открыт полностью или частично так, что весь поступающий в компрессор 2 воздух или его часть могут быть возвращены на впуск компрессора 2, получив в нем небольшое повышение давления или без повышения давления. Кроме того, клапан-заслонка 3 компрессора 1 может быть закрыт, пропуская заряд воздуха, минуя охладители 11 и 12, а воздушный перепускной клапан 4 должен быть закрыт для предотвращения рециркуляции сжатого нагретого воздуха назад через компрессор 1, а его клапан-заслонка 3 и воздушные перепускные клапаны направляют неохлажденный заряд воздуха в коллекторы 13 и 14 для получения нагретого заряда низкой плотности для работы с низкой нагрузкой. Компрессор 2 предпочтительно должен удерживаться в рабочем режиме для подвода основного заряда воздуха через трубопроводы 110, 32 и впускной клапан 16-В для получения более экономичной системы продувки-впуска.
На фиг. 16 показаны предлагаемые положения клапанов для подводящих коллекторов 13 и 14 с зарядом воздуха, оптимальным для работы при средних нагрузках, для двигателей, изображенных на фиг.16, или для двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10. При работе в режиме средней нагрузки клапан-заслонка 5 компрессора 2 закрыт, а воздушный перепускной клапан 6 должен быть открыт для пропуска неохлажденного и несжатого заряда воздуха к впуску компрессора 1, где закрытый клапан-заслонка 3 и закрытый клапан 4 направляют сжатый компрессором 1 заряд воздуха, минуя охладители, к коллекторам 13 и 14, причем воздух заряда сжат и нагрет компрессором 1 для работы со средней нагрузкой.
На фиг.17 показан предлагаемый сценарий обеспечения двигателя, изображенного на фиг.17, или двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, зарядом воздуха высокой плотности для работы с большой нагрузкой с большой вырабатываемой мощностью. На фиг.17 оба клапана-заслонки 3 и 5 показаны открытыми, а оба клапана 4 и 6 - полностью закрытыми, так что задействована основная ступень сжатия, а вторая ступень сжатия выведена на режим максимального сжатия заряда, причем весь заряд воздуха пропускается через охладители 10, 11 и 12 для создания охлажденного заряда воздуха очень высокой плотности и передачи его коллекторам 13 и 14 и силовым цилиндрам двигателя для работы в режиме большой нагрузки. Это создает очень высокое среднее эффективное давление в цилиндре для получения большого крутящего момента и большой мощности при максимальном давлении в цилиндре, остающемся на том же уровне, что имеет место в нормальных двигателях, или даже более низком.
На фиг.18 показан схематичный вид другого типа дополнительного компрессора 2' для двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, или для любого другого предлагаемого двигателя, а также система обеспечения отключения дополнительного компрессора при отсутствии необходимости в заряде высокого давления и высокой плотности. Для освобождения компрессора 2' от работы (если сжатый компрессором 2' воздух не поступает непосредственно в трубопровод 32 и к клапану 16-В для подачи основного заряда воздуха) клапан-заслонку 5 закрывают, а воздушный перепускной клапан 6 открывают, так что воздух, нагнетаемый через компрессор 2', может рециркулировать через компрессор 2, освобождая таким образом компрессор от работы сжатия.
На фиг. 19 схематично показан вид двигателей, изображенных на фиг.5-7 и 9-10, иллюстрирующий средства регулирования плотности, температуры и давления зарядного воздуха путем изменения направления потока воздуха через различные электронные или управляемые разрежением клапаны и их трубопроводы.
На фиг. 19 также стрелками показаны различные возможные пути зарядного воздуха, причем светлые стрелки обозначают пути нагретого воздуха, а темные стрелки обозначают пути более плотного, подвергшегося промежуточному охлаждению воздуха, показывая таким образом, как термостатически или электронным способом может осуществляться регулирование температуры зарядного воздуха путем его разделения по двум разным траекториям. В другом случае весь заряд воздуха может быть направлен либо минуя охладители, либо через охладители воздуха, как показано на фиг.19. На фиг.19 также показано, как давление, создаваемое компрессорами 1 и 2, может изменяться путем частичного или полного открытия воздушных перепускных клапанов 4 и 6 либо полным закрытием одного из этих управляющих клапанов или их обоих. Блок 27 управления двигателем предназначен для регулирования различных эксплуатационных параметров предлагаемых двигателей.
На фиг. 20 показан схематичный вид другого варианта выполнения устройства, в котором предпочтительно электрический двигатель 34 приводит в движение компрессор(ы) любого предлагаемого двигателя.
Управление "клапаном-заслонкой" перепускного трубопровода охладителя зарядного воздуха
В данном разделе описаны аспекты предпочтительных компонентов управления, применяемых в любом из предлагаемых двигателей (четырехтактных и двухтактных).
Основные принципы: клапаны 3 и 5 являются клапанами перепускного трубопровода охладителя зарядного воздуха с соленоидным управлением. При управлении перепускным трубопроводом охладителя зарядного воздуха поступающий воздух переключается между двумя путями двумя клапанами 3 и 5, работающими независимо друг от друга: клапан 5 направляет поток или (а) от компрессора 2 непосредственно к впускному трубопроводу компрессора 1, или (b) через охладитель 10 до поступления воздуха к впускному трубопроводу компрессора 1. Клапан 3 направляет поток от компрессора 1 или (а) к трубопроводам 111/121/122, ведущим непосредственно к впускным коллекторам 13 и 14, или (b) он пропускает заряд воздуха через охладители 11 и 12 перед его поступлением к коллекторам 13 и 14.
Блок 27 управления двигателем (БУД) может управлять клапанами 3 и 5 перепускных трубопроводов охладителей воздуха. Клапаны перепускных трубопроводов могут быть выполнены в виде клапанов-заслонок для пропуска или перекрытия всего заряда воздуха в обоих направлениях, или в виде клапанов с соленоидным управлением с цилиндрической винтовой катушкой, или в виде клапанов другого типа, способных пропускать часть заряда воздуха через перепускные трубопроводы 121 и 122, а другую часть через охладители 10, 11 и 12 для точного регулирования температуры и плотности заряда воздуха. БУД может получать сигналы от датчиков, таких как датчик температуры охлаждающей жидкости двигателя, датчик положения коленчатого вала, датчик положения дросселя, датчик положения распределительного вала, датчик абсолютного давления в коллекторе и датчик нагрева кислорода.
Управление воздушным перепускным клапаном
Основные принципы: для обеспечения оптимального давления заряда воздуха для различных условий работы двигателя БУД 27 может посылать сигналы для управления воздушными перепускными клапанами 4 и 6. Эти клапаны могут быть двухпозиционными клапанами с соленоидным управлением, возможно приводимыми в действие разрежением, или клапанами с соленоидным управлением с цилиндрической катушкой, или клапанами другого типа, которые могут открывать часть прохода или весь проход для рециркуляции части или всего заряда воздуха назад через впуски 110 и 8 компрессоров 1 и 2 для понижения или сведения к нулю давления наддува любого из компрессоров 1 и 2, или их обоих. Аналогичное устройство регулирования давления воздуха может применяться для дополнительных ступеней сжатия воздуха при их наличии.
Работа может происходить следующим образом: управление воздушными перепускными клапанами 4 и 6 может осуществляться сигналами от БУД 27 для регулирования угла открытия этих клапанов 4 и 6 с обеспечением оптимальных давлений заряда воздуха для различных нагрузок двигателя и различных рабочих циклов. Когда клапан 6 открыт частично, часть воздуха, прокачиваемого через компрессор 2, проходит назад на впуск 8 компрессора для снижения давления сжатия. Когда клапан 6 открыт полностью, весь заряд компрессора 2 пропускается назад через компрессор 2, таким образом этот компрессор 2 только перекачивает через себя заряд без повышения его давления. Эта система может работать таким же образом и для клапана 4, который может перепускать часть заряда воздуха, нагнетаемого компрессором 1, назад во впускной трубопровод 110 компрессора 1 для снижения плотности заряда воздуха.
Такое устройство в комбинации с регулированием блоком 27 перепускной системы охладителя зарядного воздуха для различных клапанов 3 и 5 может регулировать температуру, плотность, давление и турбулентность зарядного воздуха для выработки требуемых уровней мощности и крутящего момента, а также параметров выбросов в силовом цилиндре двигателя.
Информация о параметрах двигателя, которые могут отслеживаться блоком 27 для достижения надлежащего состояния двигателя путем управления клапанами 4 и 6, может поступать от датчика положения дросселя (или от датчика работы топливного ввода), датчиков температуры поступающего воздуха, расположенных в нескольких точках, датчика абсолютного давления в коллекторе, датчика положения распределительного вала, датчика положения коленчатого вала, датчика температуры выхлопа, датчика нагретого кислорода и/или от других посылающих исходную информацию датчиков, применяемых в двигателях внутреннего сгорания.
БУД 27 может управлять клапанами 3 и 5, а также клапанами 4 и 6 для поддержания оптимальными плотности, давления и температуры заряда воздуха при всех рабочих циклах двигателя.
Другие варианты системы сгорания
На фиг. 21 показан схематичный поперечный разрез предкамеры 38', камеры сгорания 38, днища 22 поршня и связанного с ними впуска 36 топлива, свечи 37 зажигания, впускного канала 8' для воздуха или топливно-воздушной смеси, впускного клапана 16, выпускного канала 18', выпускного клапана 17, предложенных для работы на жидком или газообразном топливе для предлагаемых двигателей или для любого другого двигателя внутреннего сгорания.
Существует большой выбор систем воспламенения от сжатия или искрового зажигания для предлагаемого двигателя, показанных на фиг.1-33. Каждое топливо, от природного газа до тяжелого дизельного топлива, включая спирты и газообразное топливо, может быть воспламенено в этом двигателе путем искрового зажигания (ИЗ). Одна система ИЗ, обладающая определенными преимуществами, аналогична системе, изображенной на фиг.21, и пригодна для сжатого природного газа, пропана, водорода, бензина, спиртов или дизельного топлива. В этой системе чрезвычайно богатая топливная смесь, образующая полный заряд топлива, предпочтительно впрыскивается в предкамеру 38'. Топливо может впрыскиваться через топливный канал 36 совместно с вводом струи воздуха или без него, при этом заряд воздуха, часть которого может сопутствовать заряду топлива, может быть введен в предкамеру 38' поршнем 22 во время хода сжатия. Дополнительный воздух с дополнительным топливом или без него может быть введен собственно в цилиндр либо в ходе впуска, либо в ходе сжатия через впускной трубопровод 8'. В любом случае вторая ступень сгорания собственно в цилиндре осуществляется со смесью с низким содержанием топлива.
Двухступенчатая система сгорания, показанная на фиг.21, работает следующим образом:
1. Предкамерное горение (первая ступень)
Предкамерное горение происходит в предкамере 38', когда топливо в количестве, значительно превышающем количество присутствующего кислорода, впрыскивается и воспламеняется (инжектор не показан). Этот недостаток кислорода в сочетании с менее горячим, турбулентным зарядом и низкими максимальными температурой и давлением существенно сокращает образование окислов азота. Сочетание горячих стенок предкамеры с сильной турбулентностью содействует более полному сгоранию.
2. Последующее горение (вторая ступень)
Последующее горение происходит при более низком давлении и в условиях относительно низких температур в пространстве над поршнем в цилиндре, когда газы расширяются из предкамеры первой ступени в собственно цилиндр. Если в цилиндре имеется дополнительное топливо, происходит воспламенение более бедной смеси этим плазмообразным потоком из предкамеры. Низкая температура и примесь сгоревших газов препятствует любому дальнейшему образованию окислов азота. Избыток воздуха, сильное вихревое действие и более длительный процесс расширения обеспечивают более полное сгорание монооксида углерода, углеводородов и углерода.
Результатами применения в предлагаемом двигателе предкамеры 38', изображенной на фиг. 21, являются более высокий термический кпд благодаря более длительному расширению, сопровождаемому менее горячим выхлопом, а также пониженный уровень загрязняющих выбросов, включая оксиды азота, и при применении дизельного топлива, ароматических соединений и частиц.
На фиг.22 показан схематичный поперечный разрез дополнительного цилиндра предлагаемого двигателя, который позволяет преобразовать двухтактный двигатель, изображенный на фиг.8-33, в двигатель, работающий по однотактному циклу, а четырехтактный двигатель, изображенный на фиг.1-7 и 33, - в двигатель, работающий по двухтактному циклу.
Путем выполнения любого двухтактного двигателя в виде конструкции, в которой все силовые цилиндры являются цилиндрами двойного действия, отношение мощности к весу может быть удвоено по сравнению с базовым двигателем. В каждом ходе двигателя, работающего номинально по однотактному циклу и преобразованного из любого из двигателей, изображенных на фиг.8-33, на одном конце цилиндра происходит воспламенение, а на другом конце происходит продувка. Применение силовых цилиндров двойного действия в четырехтактном двигателе, изображенном на фиг.1-7 и 33, преобразует его в двухтактный двигатель вследствие того, что один конец цилиндра продувается, а в другом конце происходит воспламенение во время каждого оборота коленчатого вала.
В конструкции, показанной на фиг.22, необходимое изменение длины коромысла 39 получено благодаря тому, что его конец образует обойму 40 и крепится над пальцем 41 поршня.
Поршень 22' с двумя днищами может быть присоединен к концу вертикального коромысла 39, поворачивающегося по отношению к своему нижнему концу 42. Шатун 19' присоединен между серединой коромысла и коленчатым валом 20'.
Ввиду того что сам коленчатый вал 20' только передает крутящий момент, его основные подшипники нагружены весьма незначительно. В результате на опорный корпус передается мало шума. Вследствие эффекта рычага полное перемещение кривошипа (не показан) составляет половину хода поршня, а сам кривошип может быть более коротким, похожим на кулачок узлом, с большими близко расположенными шейками, имеющими значительное перекрытие для повышения прочности.
Степень сжатия может изменяться при небольшом удлинении или укорачивании эффективной длины коромысла 39. Это может быть получено посредством нижней пяты 42, присоединенной к блоку 43, установленному в неподвижном блоке 44 с возможностью скольжения и приводимому в движение сервомотором 45. Шестерня 45а, вращаемая сервомотором 45, значительно длиннее шестерни 44а, установленной на винте 43b, который с возможностью вращения присоединен к блоку 43 и вращается по резьбе в блоке 44, вызывая скольжение шестерни 44а назад или вперед по шестерне 45а при возвратно-поступательном движении блока 43 в блоке 44. Таким образом, такой двигатель может быть запущен со степенью сжатия, равной 20:1, как у дизельного двигателя, а затем для снижения трения и напряжения в его деталях может быть переведен на степень сжатия, составляющую 13: 1. Эта особенность также может быть важна для обеспечения возможности применения разных видов топлива.
На фиг. 23 показан другой вариант выполнения двигателя, в котором палец 47' расположен между шатуном 19 и поршнем 22" и для которого остаются в силе описанные выше преимущества.
Необходимое изменение длины коромысла 39 (изображено пунктиром), соединяющего поршень 22" с шатуном 19, может быть выполнено путем образования на конце коромысла 39 обоймы 40, установленной над пальцем 41 поршня 22", или установкой сдвоенного поворачивающегося звена 42' между пальцем 47' в опорной точке коромысла 39' с пальцем 42", присоединенным к неподвижной части 46 двигателя, и оконечной частью коромысла 39', присоединенной к шатуну пальцем 47.
В другом, предпочтительном варианте для мощных двигателей (таких как судовые двигатели, привод генераторов и т.д.) отбор мощности от поршня 22" может происходить с обычным штоком 39' поршня, расположенным между поршнем 22" и ползуном 20', вместе с шатуном 19', расположенным между ползуном 20' и коленчатым валом (не показан).
Силовые цилиндры двойного действия, применяемые в предлагаемых двигателях, особенно важны в случаях, когда требуется большая энергия и доступна охлаждающая вода, например для судовых двигателей или двигателей, работающих в качестве привода генератора.
Такие цилиндры двойного действия с двумя днищами могут применяться во всех вариантах выполнения изобретения.
На фиг.24 показан схематический поперечный разрез коленчатого вала, двух шатунов 19' и 19" и коромысла 39, показывающий средства обеспечения дополнительного времени горения в обычных двух- или четырехтактных двигателях.
Такая компоновка любого двигателя обеспечивает удвоение времени изменения направления движения поршня 22' нормального двигателя во время критического периода горения. Это происходит потому, что верхняя мертвая точка поршня 22' соответствует нижней мертвой точке кривошипа 48. В этой точке движение шатунной шейки вокруг верхней мертвой точки поршня 22' вычитается из прямолинейного движения шатуна 19' вместо того, чтобы суммироваться с ним, как это имеет место в обычных двигателях. Внесение изменения в обычное действие замедляет перемещение поршня около этой точки, в результате чего обеспечивается более полное сгорание и дополнительное снижение выбросов.
Дополнительное время горения, обеспечиваемое вариантом выполнения, изображенным на фиг.24, может иметь большое значение в предлагаемых двигателях и в любых двигателях, работающих по циклам Отто и Дизеля.
Работа двигателя, конструкция которого предусматривает дополнительное время горения, аналогична работе других предлагаемых двигателей, обеспечивающих высокую плотность заряда, низкие степени сжатия со средним эффективным давлением, более высоким, чем в известных двигателях, но с более длительным, чем в других двигателях временем горения, одновременно с даже пониженными загрязняющими выбросами.
Ввиду того что изображенный на фиг.24 коленчатый вал 48 только передает крутящий момент, его основные подшипники весьма слабо нагружены. В результате этого опорный корпус достигает меньше шума. Вследствие эффекта рычага перемещение кривошипа может составлять половину хода поршня (в зависимости от точки опоры), а сам кривошип может быть более коротким, похожим на кулачок узлом, с большими, близко расположенными шейками, имеющими значительное перекрытие для повышения прочности.
Такая компоновка обеспечивает также увеличение приблизительно вдвое времени горения в известных двигателях в течение критического периода горения. Это происходит потому, что верхняя мертвая точка поршня соответствует нижней мертвой точке кривошипа.
Двигатель 10025, изображенный на фиг.25
На фиг. 25 показан поршневой шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом, в котором все цилиндры 7a-7f (только один (7f) из которых изображен в разрезе) и связанные с ними поршни 22a-22f выполнены с возможностью работы по двухтактному циклу, при этом все цилиндры используются для выработки и передачи энергии общему коленчатому валу 20 посредством шатунов соответственно 19a-19f. Компрессор 2 подводит воздух к продувочным окнам 52 через дополнительный запорный клапан 33-М и трубопровод 32, а также посредством трубопровода 15 к впускным клапанам 16 и 16' подачи заряда в цилиндр. Двигатель, изображенный на фиг.25, выполнен с возможностью работы по двухтактному циклу для выполнения шести рабочих ходов на один оборот коленчатого вала 20. Для этого компрессор 1 забирает заряд воздуха, который предварительно может быть сжат до более высокого давления, через клапаны 5 и 6, регулирующие поступление воздуха, и через впускной трубопровод 110, ведущий от компрессора 2 через промежуточный охладитель 10 или перепускной трубопровод 104 и клапан-заслонку 5. Во время работы двигателя 10025, изображенного на фиг.25, компрессор 2 получает атмосферный воздух через впускное отверстие 8, осуществляет предварительное сжатие заряда воздуха в трубопроводе 101, ведущем к регулирующему клапану-заслонке 5, который в ответ на сигналы от БУД 27 на закрытие клапана-заслонки 5 и воздушного перепускного клапана 6 направляет сжатый заряд через охладитель 10 или через перепускные трубопроводы 104 охладителя к компрессору 1. Заряд воздуха подвергается сжатию в компрессоре 1 посредством связанного с ним поршня 131, а сжатый заряд воздуха нагнетается через выпускное отверстие в передающий трубопровод 109 высокого давления, ведущий к регулирующему клапану-заслонке 3, который, если он открыт, направляет воздух через охладитель 11 и 12 к коллекторам 13 и 14 или, если он закрыт, через трубопровод и воздушный перепускной клапан 4, который может направлять часть заряда воздуха назад через впускной трубопровод 104 компрессора 1 или, если клапан 4 полностью закрыт, направляет весь заряд от компрессора 1 в соответствии с сигналами от БУД 27 через охладители 11 и 12 или через перепускной трубопровод 111/121/122 в коллекторы 13 и 14. Коллекторы 13 и 14 выполнены и расположены с возможностью распределения заряда сжатого воздуха посредством отводных трубопроводов 15a-15f к впускным клапанам 16 и 16' цилиндра 7а, а также к остальным пяти силовым цилиндрам 7b-7f. В другом варианте выполнения продувочный воздух вместо подвода через трубопровод 32' подводят через запорный клапан 49, трубопровод 50 и редукционный клапан 25 к воздушной камере 51 и через трубопроводы 125a-125f - к продувочным окнам 52a-52f.
Двигатель 10025, изображенный на фиг.25, имеет распределительный вал, установленный с возможностью приведения во вращение со скоростью, равной скорости вращения коленчатого вала, для обеспечения одного рабочего хода силовых поршней на один его оборот. Компрессор может быть поршневым компрессором, состоящим по меньшей мере из одной ступени сжатия по меньшей мере с одним цилиндром двойного действия (одна ступень показана на фиг.25 под номером 1 позиции). Компрессор может приводиться в движение шатунами 19g, которые присоединены к коленчатому валу 20 и у которых радиусы кривошипов могут иметь различную величину, соответствующую ходам поршня воздушного компрессора(ов) различной длины, отличающимся от ходов силовых поршней. Кроме того, компрессор 1 может приводиться в движение вторым коленчатым валом (не показан), приводимым во вращение зубчатым зацеплением с повышающей ступенчатой передачей, установленной на общем коленчатом вале. Дополнительный ротационный компрессор, который на чертеже показан в виде компрессора Lysholm'a и обозначен номером 2 позиции, может приводиться во вращение желобчатым шкивом, вращаемым оребренным клиновым ремнем, а между шкивом и приводным валом компрессора установлена повышающая ступенчатая передача. Ротационный компрессор 2 может также иметь переменную скорость вращения или двухскоростной привод, как это имеет место в некоторых авиационных двигателях.
Работа двигателя 10025, показанного на фиг.25, происходит следующим образом. Зарядный воздух подается во впускное отверстие 8 компрессора 2. Отсюда воздух нагнетается через компрессор 2, где он направляется клапаном-заслонкой 5 через охладитель 10 или через трубопровод к воздушному перепускному клапану 6, где он направляется на впуск компрессора 1. Затем заряд нагнетается компрессором 1 через выпускной клапан к клапану-заслонке 3, который направляет заряд воздуха или через охладители 11 и 12 к коллекторам 13 и 14 или в трубопровод, ведущий к воздушному перепускному клапану 4, который может направлять часть заряда назад через впуск компрессора 1 или направлять весь заряд или его часть к клапану-заслонке 3, который направляет заряд полностью или частично через охладители 11 и 12, или непосредственно к коллекторам 13 и 14, которые распределяют зарядный воздух, имеющий отрегулированную температуру, к впускным клапанам 16 и 16' цилиндра 7 к каждому силовому цилиндру двигателя. Двухпозиционный регулирующий клапан (не показан) и трубопровод 32' направляют воздух в воздушную камеру 51 и к продувочным окнам 52a-52f в нижней части цилиндров 7a-7f. В другом варианте выполнения (изображенном на фиг.25 штрих-пунктирной линией) продувочный воздух направляют через редукционный клапан 25, расположенный на трубопроводе 50, для подвода продувочного воздуха от компрессора 1 и регулирования его давления. Другим дополнительным способом снижения давления воздуха в коллекторе для продувки цилиндров 7a-7f является использование воздуха из коллекторов 13 и 14, проходящего через трубопровод 50, воздушную камеру 51 и впускные окна 52a-52f без снижения давления на выходе из коллекторов 13 и 14. Для продувки через продувочные окна 52a-52f, изображенные на фиг.25, и через впускное окно 52" и выпускное окно 52', изображенные на фиг.30, должен применяться воздух под полным давлением, причем окна 52a-52f, 52' и 52" должны быть выполнены значительно меньше обычных. В этом случае несмотря на то, что продувочные окна меньше обычных, воздух с более высоким, чем обычно, давлением очень эффективен. В описании предложено несколько средств продувки цилиндров. На фиг.26 более ясно показана предпочтительная система подвода продувочного воздуха низкого давления (несмотря на то, что она изображена штрих-пунктирными линиями). Трубопровод 32' и клапан 33 (на фиг.26 показанные штрих-пунктирными линиями) пропускают воздух из трубопровода 110 от компрессора 2 к трубопроводу 50, подающему продувочный воздух в воздушную камеру 51.
БУД 27, изображенный, например на фиг.26, управляет клапанами 3, 4, 5 и 6 для регулирования давления, температуры и плотности заряда, поступающего в камеры сгорания и к клапану 25, может выборочно направлять часть заряда воздуха, имеющую пониженное давление, к продувочным окнам 52 и может управлять открытием и закрытием клапана 53 и клапанов 49' для выбора необходимого режима продувки. БУД 27 может также управлять системой регулирования изменяемого состояния клапанов для регулирования времени и длительности открытия впускных 16 и выпускных клапанов 17 по отношению к степени или углу поворота коленчатого вала 20, для регулирования степени сжатия двигателя для обеспечения оптимальных рабочих параметров, а именно мощности, крутящего момента, экономии топлива, параметров топлива и требуемого режима продувки.
Предпочтительная работа силовых цилиндров, показанных на фиг.25, происходит следующим образом.
После сброса и продувки цилиндра 7 последний наполнен свежим воздухом, поршень 22 перекрывает выпускные окна 52 и при своем продувочно-впускном ходе поднимается при все еще открытом выпускном клапане 17, при этом при нахождении поршня в любой точке, возможно за 120-90o до верхней мертвой точки, происходит закрытие выпускного клапана 17 для задания степени сжатия и начала сжатия, впускные клапаны 16 и 16' открываются в этот же момент времени или позднее для создания требуемых плотности и веса заряда, сжатый заряд воздуха или топливно-воздушной смеси вводится через впускной клапан 16, 16', который затем закрывается. Сжатие заряда, начинающееся при нахождении поршня в точке x, а именно в точке, где был закрыт выпускной клапан 17, продолжается со степенью сжатия, заданной рабочим объемом цилиндра, остающимся при нахождении поршня в точке x, поделенным на объем камеры сгорания. Топливо может впрыскиваться в поток дополнительного сжатого воздуха, нагнетаемого в камеру сгорания, или в предкамеру, например, изображенную на фиг.21, или непосредственно в камеру сгорания. После закрытия впускного клапана 16, 16' топливо или дополнительное количество топлива может впрыскиваться в середину вихря заряда для послойного процесса сгорания заряда или, как в двигателях с воспламенением от сжатия, непосредственно в камеру сгорания, возможно непосредственно на запальную свечу в случае наличия или отсутствия предлагаемой предкамеры, а также непрерывно во время части хода расширения для получения процесса сгорания с постоянным, в целом, давлением.
Топливно-воздушная смесь воспламеняется свечой зажигания, от сжатия или посредством запальной свечи в точке, сочтенной наиболее эффективной, предпочтительно до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки хода сжатия. Ход расширения поршня 22 происходит во время воздействия расширяющихся газов на поршень в направлении нижней мертвой точки. При нахождении поршня вблизи конца рабочего хода, возможно приблизительно за 40o до нижней мертвой точки, открываются продувочные окна 52, приблизительно в это же время открывается (открываются) клапан (клапаны) 17 в головке двигателя, и происходит быстрый выпуск и продувка любым из четырех способов, изображенных на фиг.27-30. В любом случае выпускные клапаны 17, 17' остаются открытыми и после прохождения поршнем нижней мертвой точки на значительную часть продувочного хода, регулирующего заряд, для установления степени сжатия двигателя.
На фиг.26 показан схематичный вид двигателя, аналогичного по конструкции и работе двигателю 10025, изображенному на фиг.25, и имеющего два компрессора, но отличающегося тем, что компрессор 1 изображен в виде ротационного компрессора Lyshoim'a, а компрессор 2 изображен в виде турбокомпрессора, и имеющего один охладитель воздуха для дополнительного компрессора, два охладителя воздуха для основного компрессора, парные коллекторы, управляющие элементы в виде заслонок, воздушные перепускные управляющие элементы и трубопроводы для различных путей прохождения воздуха. Также показан блок 27 управления двигателем (БУД), который может регулировать давление, плотность и температуру зарядного и продувочного воздуха для получения требуемых выходных параметров и характеристик выбросов двигателя. Показаны другие источники продувочного воздуха, причем предпочтительным является его подача из трубопровода 110 через трубопровод 32'. Траектории прохода воздуха показаны стрелками, при этом светлые стрелки обозначают неохлажденный сжатый воздух, а темные стрелки обозначают охлажденный более плотный воздух. Показаны также воздушные перепускные клапаны (в данном случае оба клапана закрыты), которые совместно с клапанами-заслонками (один из которых закрыт, а другой частично открыт для обеспечения возможности охлаждения части заряда) могут регулировать температуру, вес и плотность заряда, необходимые для получения самых лучших эксплуатационных характеристик двигателя.
На фиг. 27 показана одна система эффективной продувки продуктов выхлопа двигателя, изображенного на фиг.25.
Система продувки А (фиг.27)
Сброс выхлопных газов происходит приблизительно при нахождении поршня от 40o до нижней мертвой точки до, возможно, 40-50o после нее, при этом выпускные клапаны 17 открываются приблизительно в одно время с открытием окон 52, остаются открытыми после закрытия нижних окон поршнем 22 и закрываются позже, приводя к низкой степени сжатия.
Продувочный воздух может подводиться от коллектора, возможно, с редукционным клапаном 25 на трубопроводе 50 или предпочтительно из трубопровода 32' от дополнительного компрессора 2 (показано штрих-пунктирной линией). В этом случае нижние окна 52 открываются незадолго до открытия выпускных клапанов 17. Сброс происходит через нижние окна 52, через нижний выпускной трубопровод и клапан 53 к главной выпускной трубе 18, в это же время или небольшое время спустя открываются выпускные клапаны 17, и сброс выхлопных газов в атмосферу происходит как через верхнюю часть цилиндра через выпускные клапаны 53 и 17, так и через выпускной коллектор 18' и трубу 18. Выпускной клапан 17 затем остается открытым в течение значительной части продувочно-впускного хода (второго такта) для дополнительной продувки, причем эта часть хода происходит при принудительном перемещении поршня. Во время этого продувочно-впускного хода выпускной клапан 17 может быть закрыт при нахождении поршня в любой точке после прохождения им первых 20% своего пути. После этого, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, выпускной клапан 17 может закрыться при нахождении поршня в любой точке, а впускной клапан 16' - открыться с поступлением сжатого воздуха, температура которого отрегулирована до величины, сочтенной надлежащей. Чем позже во время продувочно-впускного хода происходит закрытие выпускного клапана 17, тем ниже будет степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии эффективная степень сжатия может достигать 13:1 или 16:1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1. При нахождении поршня в любой точке после закрытия выпускного клапана 17 и задания степени сжатия и до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки заряд воздуха с отрегулированными температурой, плотностью и давлением может быть введен путем открытия и последующего закрытия впускного клапана 16. Все предложенные рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателей, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и вида применяемого топлива.
БУД 27 изображен со связями с ключевыми регулирующими клапанами двигателя, которые могут быть отрегулированы в соответствии с параметрами, информация о которых передается в БУД 27 от различных датчиков в двигателе.
На фиг.28 показана вторая система эффективной продувки двигателя, изображенного на фиг.25.
Система продувки В (фиг.28)
Сброс выхлопных газов происходит только через выпускные клапаны 17, продувочный воздух подается компрессором 2 по трубопроводу 32' или в другом случае от коллекторов 13 и 14 через трубопроводы 50 после регулирующего клапана 49 и дополнительного редукционного клапана 25 в воздушную камеру 51 и через продувочные окна 52 в нижней части цилиндров 7 вверх через цилиндр 7, из выпускных клапанов 17 и через выпускную трубу 18, клапан 53 при этом закрыт. В этой системе при приближении поршня 22 к нижней мертвой точке в рабочем ходе расширения окна 52 открываются поршнем 22, и при сбросе выхлопных газов сжатый воздух вводится через все нижние окна 52 и удаляет продукты сгорания через выпускные клапаны 17, которые открываются, возможно, раньше окон 52 для выпуска выхлопных газов. Нижние окна могут быть выполнены с возможностью открытия, возможно, при нахождении поршня за 40o перед нижней мертвой точкой и закрытия при нахождении поршня в той же точке, после того как поршень начнет свой второй ход. Выпускные клапаны 17 могут оставаться открытыми и после закрытия окон 52 для облегчения продувки путем принудительного перемещения поршня 22 и для установления требуемой степени сжатия, которая определяется точкой, в которой закрываются выпускные клапаны 17.
Во время этого хода продувки-впуска поршня 22, когда цилиндр 7 уже заполнен свежим воздухом, выпускной клапан 17 может быть закрыт при нахождении поршня в любой точке после прохождения им первых 20% своего пути. Теперь при нахождении поршня в любой точке выпускной клапан 17 может закрыться, а впускной клапан 16 может открыться для впуска сжатого до высокого давления воздуха, давление и температура которого отрегулированы до величин, определенных как надлежащие. Чем позже в ходе продувки-впуска происходит закрытие выпускного клапана 17, тем более низкой устанавливается эффективная степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии выпускного клапана 17 эффективная степень сжатия может достигать отношения 13 или 19 к 1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1. Все предлагаемые рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателей, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и вида применяемого топлива.
Блок 27 управления двигателем, как показано на чертеже, может применяться для регулирования различных требуемых рабочих условий при получении сигналов от различных датчиков двигателя.
На фиг.29 показана третья система эффективной продувки двигателя, изображенного на фиг.25.
Система продувки С (фиг.29)
В этой системе продувки запорные клапаны 49' должны быть закрыты (или клапаны 25 и 49 могут отсутствовать), нижние окна 52 открыты в атмосферу посредством клапана 53, один впускной клапан 16, ведущий от коллекторов 13 и 14 к цилиндру 7, может открываться на весьма короткое время посредством кулачка, возможно, посредством небольшого выступа на кулачке, который имеет и большой выступ (обозначенного номером 21-С позиции на фиг.11) для открытия этого же клапана при другом угле поворота кривошипа, при этом окна 52 не перекрыты поршнем 22, а выпускные клапаны 17 открыты. Воздух под высоким давлением быстро удаляет выхлопные газы в атмосферу через окна 52 и выпускные клапаны 17 и через их соответствующие выпускные трубы 18 и 18'. Впускной клапан 16 закрывается быстро, не позже момента закрытия продувочных окон 52. Выпускной клапан остается открытым для дальнейшей продувки и для снижения степени сжатия двигателя. В другом случае нижние выпускные клапаны 53 должны быть закрыты, и пока продувочные окна 52 не перекрыты поршнем 22, выпускные клапаны 17 также открываются для сброса раньше, и воздух из воздушной камеры 51, подаваемый по трубопроводу 32, поступает в окна 52 и продувает цилиндр 7 через выпускные клапаны 17.
Во время этого хода продувки-впуска выпускной клапан 17 закрывается при нахождении поршня 22 в любой точке после прохождения им первых 20% своего пути. При нахождении поршня в любой точке после закрытия выпускных клапанов 17 при заполненном свежим воздухом цилиндре 7 и при установленной степени сжатия, а также до достижения поршнем 22 верхней мертвой точки дополнительный заряд воздуха с отрегулированной температурой, плотностью и давлением впускается, когда это требуется, путем открытия второго впускного клапана 16 и/или посредством другого выступа 21-С на том же кулачке (номер 21-С позиции на фиг. 11), открывающего тот же впускной клапан еще раз. Все предложенные рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателя, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и от вида применяемого топлива. Чем позже в ходе продувки-впуска происходит закрытие выпускного клапана 17, тем устанавливается более низкая степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии эффективная степень сжатия может достигать 13:1 или 22:1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1.
Блок управления двигателем может регулировать все необходимые параметры двигателя.
На фиг. 30 показана четвертая система эффективной продувки двигателя, изображенного на фиг.25.
Система продувки D (фиг.30)
В этой системе сброс выхлопных газов происходит через верхние выпускные клапаны 17 и через часть нижних продувочных окон 52', открывающихся непосредственно перед достижением поршнем нижней мертвой точкой, возможно приблизительно за 40o до нее, одновременно с открытием верхних выпускных клапанов или сразу после него. В момент открытия окон 52' или через небольшой промежуток времени после этого выпускные клапаны 17 также открываются, или клапан 53, ведущий к нижней выпускной трубе 18, уже открыт, и сброс выхлопных газов происходит на протяжении приблизительно последующих 40o после нижней мертвой точки с нагнетанием продувочного воздуха по меньшей мере через одно из окон 52", выполненное с возможностью поступления сжатого воздуха из воздушной камеры 55, питаемой по трубопроводу 32' или 50, при этом окна 52' не перекрыты поршнем 22, а давление в цилиндре 7 упало ниже давления воздушной камеры 55. После закрытия окон 52' выпускные клапаны 17 остаются открытыми на протяжении значительной части хода продувки-впуска (второго такта) поршня 22 для дополнительной продувки путем принудительного перемещения и для установления низкой степени сжатия.
Во время хода продувки-впуска, когда цилиндр 7 заполнен свежим воздухом, выпускной клапан 17 может быть закрыт при нахождении поршня в любой точке после прохождения им приблизительно первых 20% своего пути. После этого при нахождении поршня в любой точке выпускной клапан 17 может закрыться с установлением степени сжатия, а впускной клапан 16 может открыться для впуска дополнительного сжатого заряда воздуха, температура и давление которого отрегулированы до величин, определенных как надлежащие. Чем позже в ходе продувки-впуска происходит закрытие выпускного клапана 17, тем ниже устанавливается степень сжатия двигателя. При достаточно раннем закрытии эффективная степень сжатия может достигать 13:1 или 22:1, а при более позднем закрытии она может быть низкой и составлять 2:1. Все предлагаемые рабочие параметры должны зависеть от требований рабочего цикла двигателя, например от требуемой мощности, кпд, соображений о выбросах и от вида применяемого топлива, и могут регулироваться блоком управления двигателем, который получает сигналы о параметрах в конкретных участках двигателя.
На фиг.31 показан схематичный вид другого варианта выполнения, в котором электродвигатель 34 предпочтительно приводит в движение воздушные компрессоры двигателя, аналогичного изображенному на фиг.25.
На фиг.32 показан схематичный вид двухтактного двигателя, изображенного на фиг. 25 и 26 и имеющего только один компрессор 1 для подачи как продувочного, так и зарядного воздуха. На чертеже также показан клапан-заслонка 3 и воздушный перепускной клапан 4, клапаны 16 и 17, регулирующие продувочный и зарядный воздух, клапаны 53 и 53' для выпуска выхлопных газов из нижних окон 52 цилиндра через выпускную трубу 18 в атмосферу. Таким образом, двигатель, изображенный на фиг.32, способен реализовывать все возможности, описанные для двигателей, изображенных на фиг.25-30 и 32. На чертеже также показан блок 27 управления двигателем (БУД) и связи с различными клапанами для управления температурой, плотностью, весом и давлением зарядного и продувочного воздуха и траекториями продувочного воздуха для достижения требуемых от двигателя результатов. Стрелками показаны возможные пути нагретого воздуха (светлые стрелки) и охлажденного воздуха (темные стрелки), а также зарядного воздуха с прохождением его через клапан 4 для регулирования давления, плотности, веса и температуры воздуха для получения оптимальных рабочих параметров двигателя.
Двигатель 10033, изображенный на фиг.33
На фиг.33 показан шестицилиндровый двигатель внутреннего сгорания, в котором часть цилиндров 62-65 применяются для выработки энергии, а два цилиндра, 66 и 67, применяются для сжатия воздуха, необходимого для работы двигателя. Компрессор 57 наддува, в этом случае предпочтительно имеющий конструкцию Lysholm'a, применяется для повышения давления атмосферного воздуха, получаемого через воздушный впуск 8', перед поступлением воздуха в цилиндры 66 и 67 компрессора. Клапан-заслонка 3' и воздушный перепускной клапан 4', когда они оба открыты, обеспечивают рециркуляцию заряда воздуха назад через компрессор 57 для уменьшения работы компрессора и понижения плотности заряда воздуха для работы с низкой нагрузкой. Когда клапан 4' закрыт, клапан-заслонка 3' может открываться или закрываться для подачи заряда воздуха соответственно охлажденного или неохлажденного к цилиндрам для управления температурой сгорания и температурой для получения оптимальных рабочих параметров.
Вторая ступень сжатия передается от цилиндров 66 и 67 сжатия через трубопроводы 201, 202 к клапану-заслонке 4", который в закрытом положении направляет сжатый заряд через трубопровод 204, охладитель 11 и трубопровод 205 к коллектору 58' двигателя в охлажденном состоянии. При открытом положении клапан-заслонка 4" направляет заряд воздуха, минуя охладитель 11, через трубопроводы 203 и 205 к силовым цилиндрам без охлаждения.
Ввиду того что распределительный вал установлен с возможностью вращения со скоростью, вдвое меньшей, чем скорость вращения коленчатого вала, двигатель 10033 работает по четырехтактному циклу с низкой степенью сжатия, увеличенной степенью расширения и высоким средним эффективным давлением в цилиндре, когда он работает способом, описанным для двигателя 1003, изображенного на фиг.3.
В другом случае двигатель, изображенный на фиг.33, в котором по меньшей мере один цилиндр работает как компрессорный цилиндр и в котором распределительный вал установлен с возможностью вращения со скоростью, равной скорости вращения коленчатого вала, работает по двухтактному циклу с низкой степенью сжатия, высоким средним эффективным давлением в цилиндре и увеличенной степенью расширения, когда он работает способом, описанным для двигателей, изображенных на фиг.8, 9 и 11.
Как показано на фиг.33, в любом из приведенных в описании предлагаемых двигателей может быть получена дополнительная экономия топлива путем применения экономайзера, выполненного в виде компрессорного воздушного тормоза-замедлителя. Для рассмотрения указанного тормоза-замедлителя шестицилиндровый двигатель 10033 представляет собой любой из предлагаемых двигателей, в которых применяется полученный при внешнем сжатии сжатый воздух (фиг.1-33) либо для подвода зарядного воздуха целиком, либо для повышения параметров двигателя. Тормоз-замедлитель, показанный на чертеже, имеет компрессор 57А, функционально присоединенный к приводному валу транспортного средства (не показано) или присоединенный через зубчатую передачу к коленчатому валу 20 двигателя, и накапливает энергию, выделенную при торможении или при движении под уклон, причем эта энергия используется для подачи сжатого воздуха к силовым цилиндрам двигателя через передающий коллектор 58. Такой экономайзер соединен с воздушным резервуаром 59, и, когда давление воздуха в резервуаре экономайзера достаточно высокое для применения в силовых цилиндрах двигателя, компрессор двигателя может быть отсоединен, возможно посредством муфты, или нагнетаемый компрессором (компрессорами) воздух может быть перепущен назад на вход компрессора (компрессоров), так что при этом отсутствует необходимость в совершении компрессором работы сжатия. Предохранительный клапан 60 препятствует чрезмерному подъему давления в резервуаре 59. Клапан 61 (в этом варианте выполнения выполненный в виде реверсивного запорного клапана) обеспечивает возможностью передачи воздуха из резервуара к коллектору, когда давление в резервуаре 59 выше давления в передающем коллекторе 58 и если требуется подвод воздуха. В случае наличия в конструкции двигателя компрессорных цилиндров каждый из них может быть путем закрытия впускного клапана переведен на холостой ход на время работы резервного источника воздуха так, что компрессор (компрессоры) не будут выполнять полезную работу до тех пор, пока давление в коллекторе и резервуаре не упадет ниже рабочих величин. Известно несколько систем блокирования клапанов цилиндров, некоторые из которых упомянуты выше.
В другом варианте выполнения компрессор 57А исключен, а резервуар 59 для накопления воздуха применяется для хранения излишков воздуха, сжатого компрессорными цилиндрами двигателя во время торможения и движения под уклон. В этом случае клапан 61 является двусторонним клапаном, а блокирующий клапан 70 расположен в коллекторе 58 между цилиндром (цилиндрами) 66, 67 и рабочими цилиндрами 62-65. Во время движения под уклон или при торможении блокирующий клапан 70 между компрессорным и рабочим цилиндрами предпочтительно закрыт, силовые цилиндры 62-65 не вырабатывают мощность, а двусторонний клапан 61 применяется для отвода воздуха, сжатого компрессорным цилиндром (цилиндрами), в резервуар 59.
При необходимости в нормальной работе двигателя блокирующий клапан 70 между компрессорными и расширяющими цилиндрами открыт, а клапан 61 закрыт. Во время работы по резервированию воздуха оба клапана 70 и 61 открыты. При необходимости цилиндр (цилиндры) 66, 67 могут не производить работу во время режима работы по резервированию воздуха, как описано выше. Кроме того, подавать сжатый воздух в резервуар может также тормоз Джейкоба (известный тормоз-замедлитель).
Работа двигателя с подводом резервного воздуха повышает среднее эффективное давление двигателя, при этом на 20% повышается мощность и кпд при одновременном снижении загрязняющих выбросов при работе двигателя на резервном воздухе.
Эта особенность дает дополнительную экономию энергии, особенно при интенсивном движении транспортного потока или при движении по холмистой местности. Например, двигатель, развивающий мощность 100 л.с. (74,6 КВт), тратит 12,7 фунтов воздуха в минуту (5,76 кг/мин). Таким образом, если энергия торможения сохраняется в сжатом воздухе в резервуаре 59, то во время остановок и движения под уклон может быть накоплен и сохранен сжатый воздух, достаточный для его подачи в течение 10-15 минут. Когда давление в резервуаре 59 падает ниже уровня, необходимого для эффективной работы, используется электромагнит (не показан) для приведения в рабочее состояние клапанов компрессионных цилиндров, и эти цилиндры (вместе с компрессором наддува, если это необходимо) начинают сжимать заряд воздуха, необходимый для двигателя.
С применением резервуара 59 двигатель не нуждается в подъеме давления для его пуска и сразу же, как только вал достаточно повернется, чтобы открыть впускной клапан, сжатый воздух и топливо поступят и будут воспламенены, осуществляя мгновенный запуск. Кроме того, сжатый воздух посредством этих средств запуска может быть использован для вращения двигателя путем открытия впускных клапанов в расширяющих цилиндрах раньше, чем обычно, для начала вращения и воспламенения, как это обычно имеет место в больших дизелях, исключая таким образом необходимость в стартере. В другом варианте выполнения сжатый воздух может применяться для зарядки "гидростартера" для проворачивания коленчатого вала двигателя, как это имеет место в некоторых дизелях, предназначенных для работы в тяжелых условиях.
В другом, более предпочтительном варианте выполнения резервный воздух в резервуаре 59 дополнительно применяется для вращения двигателя для обеспечения транспортному средству, такому как автобус, возможности отъезда от остановки и работы без топлива на протяжении 30-60 секунд или более, то есть на то время, когда происходят наибольшие загрязняющие выбросы при работе автобусов или часто останавливающихся транспортных средствах, применяемых для доставки различных грузов.
Варианты выполнения, в которых сжатый воздух поступает от удаленного источника
На фиг.34 показан схематичный вид двигателя 100, соответствующего другому варианту выполнения изобретения, с внешней подачей заряда воздуха для судовых, тепловозных, стационарных или применяемых для выработки электрической энергии двигателей или любых других применений предлагаемых двигателей с постоянными или переменными нагрузкой и скоростью вращения, которые имеют достаточное количество электрической энергии или доступный сбрасываемый или стравливаемый сжатый воздух. Изображенный на фиг.34 удаленный воздушный компрессор 35 с электроприводом предпочтительно по меньшей мере с одной охлаждаемой ступенью сжатия предпочтительно подает заряд воздуха отрегулированной температуры (при необходимости как высокого, так и низкого давления) по меньшей мере для одного предлагаемого двигателя. Заряд воздуха, отрегулированный по температуре и давлению, подается по трубопроводу 15АЕ от компрессора 35 непосредственно к коллекторам 13 и 14. Во впускной трубопровод 9 двигателя, изображенный, например, на фиг.4, или в трубопроводы 32 низкого давления других предлагаемых двигателей поступает атмосферный воздух или воздух низкого давления из трубопровода 15ВЕ низкого давления от компрессора 35.
Другой изображенный на фиг.34 вариант выполнения устройства для подачи обеспечивающего сгорание зарядного воздуха для любого из предлагаемых двигателей 100 выполнен с возможностью подвода зарядного воздуха от трубопровода 15AR, запитываемого сбрасываемым или стравливаемым воздухом, получаемым в технологических процессах. Подача воздуха происходит либо с одним, либо с двумя уровнями давления. Более низкое давление при необходимости предпочтительно подается путем падения давления в основном подводящем трубопроводе 15AR для сбрасываемого воздуха с редукционным клапаном (25а, ведущим к трубопроводу 15BR низкого давления). Данное устройство аналогично устройству трубопроводов 15-А, 15-В и клапана 25, изображенных, например, на фиг.5, при этом трубопровод 15-А является аналогом подводящего трубопровода 15AR, проходящего от источника сбрасываемого воздуха, а трубопровод 15-В является аналогом трубопровода 15BR, изображенного на фиг.34.
Применение сжатого воздуха от удаленного источника, являющегося либо сбрасываемым воздухом, либо воздухом от компрессора 35, исключает необходимость в промежуточных охладителях 10, 11, 12 компрессоров 1 и 2 двигателя, в некоторых трубопроводах и клапанах 3, 4, 5, 6 оборудования, подводящего зарядный воздух, обеспечивая приведение воздуха в требуемое состояние во время или после процесса сжатия (но перед впуском воздуха в коллекторы 13, 14). Таким образом, оборудование различных вариантов выполнения двигателя 100, изображенных на различных чертежах, предпочтительно сведено к позициям с индексами А, В и С, изображенным штрих-пунктирными линиями на всех чертежах. Зарядный воздух из какого-либо указанного выше удаленного источника предпочтительно подается в двигатели непосредственно у коллекторов 13 и 14, а в соответствующих вариантах выполнения воздух низкого давления от внешнего источника подается в трубопровод 32, как показано на фиг.34.
В двигателях с получением заряда воздуха от удаленных источников топливо может образовывать топливно-воздушную смесь перед сжатием и может впрыскиваться в корпус дросселя, через окна или непосредственно в цилиндр.
К вопросу о регулировании величины загрязнений
На фиг.2 и 4-С показан способ дальнейшего снижения загрязняющих выбросов в любом из вариантов выполнения предлагаемого двигателя, который включает повторное сгорание части выхлопных газов, когда и если это требуется. В четырехтактных двигателях, изображенных на фиг.1-3, и в двухтактных двигателях, изображенных на прилагаемых к описанию чертежах и имеющих один впуск для воздуха, выпускной (выпускные) трубопровод(ы) 18 имеет (имеют) отводной трубопровод 202 (см. фиг.2), ведущий от окна 206 в стенке выпускного трубопровода 18 к окну 204 в стенке впускного трубопровода 8. Дозирующий клапан 201 расположен во впускном окне 204 и выполнен с возможностью выборочного ограничения потока свежего воздуха в трубопровод 8 с открытием в то же время окна 204, ведущего к выпускному трубопроводу, с выборочным обеспечением возможности впуска выхлопных газов во впускной трубопровод 8. Этот клапан является регулируемым и приводится в действие механически, электрически или путем разрежения и электромагнита и предпочтительно управляется блоком управления двигателя (БУД) или блоком 144 управления, изображенным на фиг.35 и 36. Это обеспечивает возможность повторного сгорания части выхлопных газов, процентную величину которой регулируют посредством блока управления двигателем в соответствии с сигналами различных датчиков, таких как кислородные датчики, расположенные в различных ключевых точках двигателя. Выхлопные газы, проходящие через трубопровод 202, могут быть охлаждены до достижения ими впускного трубопровода 8 либо посредством дополнительных охлаждающих ребер 202а, либо путем прохода через дополнительный промежуточный охладитель (не показан).
Как показано на фиг.4С, в двигателях, имеющих только один впускной трубопровод для атмосферного воздуха, но имеющий различные трубопроводы и пути поступления воздуха, такие как трубопроводы 15-А и 15-С, изображенные на фиг. 4В, отводной трубопровод 202', ведущий от выпускного трубопровода 18, разделен на два участка 203а, 203b отводного трубопровода, каждый из которых имеет дозирующий клапан 209а, 209b, работающий с возможностью выборочной подачи выхлопных газов либо к обоим впускным клапанам 16-В (через трубопровод 9 и в конечном итоге через трубопровод 15-С) и 16-А (посредством трубопроводов 8 и 15-А), либо к одному из них. Каждый дозирующий клапан 209а, 209b обеспечивает возможность частичного впуска выхлопных газов в соответствующее окно или прекращения такого впуска, в то же время, если это необходимо, ограничивая поступление свежего воздуха. Выхлопные газы могут быть охлаждены посредством дополнительных ребер 202а, расположенных на трубопроводе 202' и/или 203а, 203b и 203с, или путем их пропуска через дополнительный промежуточный охладитель (не показан) до ввода этих газов во впускные трубопроводы двигателя.
В другом варианте выполнения, показанном штрих-пунктирными линиями на фиг.4С, один отводной участок 203а трубопровода отклонен (номер 203с позиции на фиг.4С) непосредственно к трубопроводу 15-С и снабжен в месте их соединения дозирующим клапаном 209с.
В двигателях, изображенных на фиг.4 и 7, имеющих парные впуски 8, 9 для атмосферного воздуха, применено устройство, аналогичное изображенному на фиг.4С, тем не менее, понятно, что трубопровод 8 открыт в атмосферу.
В любых двигателях, имеющих парные впускные трубопроводы для воздуха или парные пути прохождения воздуха, по меньшей мере в одной из трех точек может быть введена часть выхлопных газов в любом необходимом количестве, а регулирование этого ввода для улучшения управления параметрами сгорания и выбросов предпочтительно осуществляется блоком управления двигателем.
Особенность в виде повторного сгорания представляет особое значение при работе на дизельном топливе.
Двигатели с постоянной нагрузкой и постоянной скоростью вращения
Тогда как большая часть предшествующего описания характеризует варианты выполнения, представляющие предлагаемые двигатели, оптимизированные для рабочих циклов транспортных средств (судов, грузовиков-тягачей, автобусов, автомобилей, танков, поездов и самолетов), и описывает системы и способы изменения мощности, крутящего момента и скорости вращения, настоящее изобретение находит полезное применение для достижения высокой мощности и большого крутящего момента, в то же время сохраняя оптимальную экономию топлива и небольшие загрязняющие выбросы и в менее сложных двигателях, таких как, например, двигатели для работы при постоянной нагрузке и с постоянной скоростью вращения. На фиг.35 и 36 показаны другие варианты выполнения настоящего изобретения, которые представляют такие двигатели (например для производства электрической энергии, а также для других стационарных или промышленных применений двигателя, например для насосов и компрессоров), оснащенных в соответствии с принципами настоящего изобретения.
Двигатель системы 100, изображенной на фиг.35
На фиг. 35 показан схематичный вид двигателя, представляющего любой четырех- или двухтактный предлагаемый двигатель, оснащенный для работы с постоянной нагрузкой и постоянной скоростью. Основные компоненты двигателя 100, такие как компрессоры 1, 2 и дополнительные промежуточные охладители 10, 11, 12 (изображены штрих-пунктирными линиями) и связанные с ними необходимые трубопроводы предпочтительно выполнены для получения оптимальных рабочих параметров и имеют только основные компоненты. Различные элементы управления, клапаны-заслонки, воздушные перепускные клапаны и связанные с ними перепускные трубопроводы, такие как в описанных выше вариантах выполнения, предпочтительно исключены для снижения веса, стоимости, а также для упрощения эксплуатации. На фиг.35 показан двигатель 100, оснащенный первым дополнительным компрессором 1 и вторым дополнительным компрессором 2, дополнительными промежуточными охладителями 10, 11, 12 (изображены штрих-пунктирными линиями) и соединительными трубопроводами, причем работа всех компонентов понятна из приведенного выше подробного описания, и имеющий две ступени предварительного сжатия зарядного воздуха, охлажденного на промежуточной стадии или адиабатически сжатого.
На фиг. 35 показана предпочтительная схема для производства электроэнергии любым из предлагаемых двигателей. Выходной вал 20 отбора мощности двигателя 100 присоединен, как схематично показано линией 140, к валу 20" подвода мощности генератора 141, имеющего линии 142 отвода электрической энергии. При вращении валом 20 двигателя 100 вала 20" генератора 141 количество электрической энергии, производимой генератором 141, определяется датчиком 143 и передается к блоку управления и регулятору 144, содержащему различные реле и интегральные схемы, для определения количества вырабатываемой энергии и отправки сообщений по линии 145 к блоку топливно-воздушного управления (не показан) на топливной линии 148 и дросселе 56, и/или по линии 149 к блоку управления зажигания для более раннего или более позднего зажигания в двигателях с искровым зажиганием и/или для отправки сообщений по линиям 146 и 146b для двигателей, имеющих системы впрыска топлива, например природного газа, бензина или дизельного топлива, или к блоку топливно-воздушного управления, причем все эти действия предназначены для регулирования ввода топлива, скорости вращения и вырабатываемой двигателем 100 мощности и, следовательно, мощности, вырабатываемой генератором 141. Блок 144 управления также посылает сигналы для управления дозирующим клапаном 201, показанным на фиг. 4, и дозирующим клапанам 209а, 209b, 209с, изображенным на фиг.2, для регулирования количества выхлопных газов (если производится их подвод), рециркуляция которых обеспечивается этими клапанами для повторного сгорания в любом предлагаемом двигателе, в котором применяется это свойство. Дальнейшие объяснения, касающиеся компонентов двигателя 100 и его работы, не представляются необходимыми, так как это будет понятно специалистам, имеющим настоящее описание.
Дополнительные промежуточные охладители 10, 11, 12 (изображенные штрих-пунктирными линиями) предпочтительно применяются в двигателях, работающих на газообразном топливе или бензине, а в двигателях с воспламенением от сжатия они предпочтительно отсутствуют, или сокращено их количество или охлаждающая способность благодаря низким максимальным давлениям и температурам в предлагаемых двигателях.
На фиг.36 показан двухтактный двигатель, представляющий любой из предлагаемых двигателей, двух- или четырехтактных, схематически соединенный линией 140 с электрогенератором 141. Двигатель и его устройство аналогичны по конструкции и работе двигателю, изображенному на фиг.35 и описанному выше, за исключением того, что двигатель, изображенный на фиг.36 и работающий как двигатель 100 либо по двух-, либо по четырехтактному циклу, имеет только одну ступень предварительного сжатия, дополнительно охлаждаемую промежуточными охладителями 11, 12 (показаны штрих-пунктирными линиями) заряда воздуха. Как и в двигателе, изображенном на фиг.35, при применении воспламенения от сжатия в предлагаемом двигателе 100 охладители 11, 12 предпочтительно отсутствуют, или их охлаждающая способность сокращена. Так же, как и в двигателе 100, изображенном на фиг.35, регулятор и другие элементы управления, а также работа двигателя и генератора понятны специалистам, имеющим настоящее описание.
Из приведенного выше описания нескольких вариантов выполнения настоящего изобретения понятно, что преимущества, присущие настоящему изобретению, характерны для всех вариантов его выполнения.
В то время как в данном описании приведены предпочтительные варианты выполнения изобретения, понятно, что в пределах сущности и объема изобретения возможны различные изменения и модификации формы, устройства частей и деталей его конструкции и что все такие изменения и модификации считаются частью настоящего изобретения как подпадающие под объем защиты прилагаемой формулы изобретения.
В то время как варианты выполнения настоящего изобретения, раскрытые в данном описании, являются предпочтительными, специалистам при рассмотрении данного описания будут понятны и другие варианты выполнения изобретения. Вследствие этого очевидно, что варианты и модификации возможны в пределах объема и сущности изобретения, и объем изобретения ограничен только прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, эквивалентное выполнение всех элементов, являющихся средствами выполнения определенной функции или выполняющих эту функцию, подразумевает в прилагаемой формуле изобретения, как особо заявлено, включение любой конструкции, материала или действий для выполнения функции, и, как очевидно для специалистов, любые конструкции, материал или действия являются более очевидными благодаря своим связям с другими элементами.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2000 |
|
RU2191910C2 |
| СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ ДВИГАТЕЛЯ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2607147C2 |
| СПОСОБ ПРИВЕДЕНИЯ В ДЕЙСТВИЕ ДВИГАТЕЛЯ С НАДДУВОМ (ВАРИАНТЫ) И СИСТЕМА ДВИГАТЕЛЯ | 2012 |
|
RU2604973C2 |
| СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИВОДНОГО АГРЕГАТА И ПРИВОДНОЙ АГРЕГАТ | 2012 |
|
RU2586950C2 |
| СПОСОБ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ПРОДУВКИ С ПОМОЩЬЮ РАЗДЕЛЕННОГО ВЫПУСКА | 2015 |
|
RU2669078C2 |
| СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ С СИСТЕМОЙ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ | 2014 |
|
RU2647183C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ (ВАРИАНТЫ) | 2003 |
|
RU2359138C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 1994 |
|
RU2094627C1 |
| СИСТЕМА И СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ДВИГАТЕЛЯ С ТУРБОНАДДУВОМ | 2012 |
|
RU2579520C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2010 |
|
RU2449138C2 |
Изобретение относится к способу получения механической работы при сгорании газа в двигателях внутреннего сгорания, а также к поршневым двигателям внутреннего сгорания с кривошипно-шатунным механизмом для осуществления этого способа. В предпочтительных вариантах выполнения способ включает создание заряда воздуха, регулирование температуры, плотности и давления заряда воздуха, передачу заряда воздуха в силовой цилиндр двигателя, так что в цилиндр двигателя вводится заряд воздуха, вес и плотность которого выбраны в диапазоне от величин веса и плотности атмосферы до величин, превышающих эти величины, сжатие заряда воздуха, так что эффективная степень сжатия меньше нормы, образование горючей смеси из заданного количества зарядного воздуха и топлива, создание условий для воспламенения этой смеси в силовом цилиндре; и обеспечение возможности расширения газообразных продуктов сгорания с воздействием на поршень, действующий в силовом цилиндре, причем степень расширения этого силового цилиндра значительно превышает эффективную степень сжатия силовых цилиндров двигателя. Изобретение обеспечивает превышение степени расширения над степенью сжатия, а также экономию топлива и повышение мощности. 5 с. и 9 з.п. ф-лы, 39 ил.
Приоритет по пунктам:
25.10.1996 по пп. 1, 3 - 14;
23.05.1997 по п. 2.
| US 4730457 А, 15.03.1988 | |||
| СПОСОБ ПИТАНИЯ ВОЗДУХОМ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДИЗЕЛЯ | 0 |
|
SU248375A1 |
| Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания | 1985 |
|
SU1267020A2 |
| Способ работы двигателя внутреннего сгорания | 1985 |
|
SU1250679A2 |
