ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F02D13/02 F02D15/00 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания с продолженным расширением в основных цилиндрах и регулированием мощности изменением количества смеси, поступающей в цилиндры, и может использоваться там, где двигатели работают в основном на частичных нагрузках, например в качестве автомобильных двигателей.

В бензиновых двигателях мощность обычно регулируется дросселированием заряда дроссельной заслонкой и при нагрузках 20÷30% мощности, развиваемой двигателем при данных оборотах, разряжение во впускном трубопроводе достигнет 0,05÷0,07 МПа и для создания этого разряжения будет затрачиваться 10÷20% вырабатываемой двигателем энергии.

Кроме того, при малых нагрузках давление и температура смеси в конце сжатия малы, и скорость сгорания смеси уменьшается и становится недостаточной для осуществления сжигания топлива около ВМТ и смесь горит во время рабочего хода и даже выпуска. Для обеспечения необходимой скорости сгорания приходится переобогащать смесь, топливо сгорает не полностью и увеличивается его расход.

В обычных двигателях степень сжатия равна степени расширения. Чем выше степень расширения, тем больше работы производят газы во время рабочего хода. В бензиновых двигателях степень сжатия ограничена из-за возможности возникновения детонации, зависящей в основном от температуры смеси в конце сжатия. Степень сжатия и соответственно степень расширения бензинового двигателя в 1,5÷3 раза ниже, чем у дизеля, и поэтому энергия топлива используется менее полно и его КПД меньше, чем КПД дизельного двигателя. Кроме того, КПД бензинового двигателя резко снижается на малых нагрузках из-за потерь, связанных с дросселированием, и необходимости переобогащения смеси.

Давление газа в начале выпуска из цилиндра в несколько раз превышает атмосферное давление, то есть газы имеют значительную энергию и эта энергия в обычных двигателях не используется.

Известны схемы двигателей, в которых искались пути увеличения степени расширения и устранения потерь от дросселирования. В современном двигателестроении принято продолженное расширение производить за пределами основных цилиндров, например, в газовых турбинах.

Известен поршневой двигатель с турбонагнетателем повышенного давления с охладителем воздуха, включенным после нагнетателя, например турбонагнетатель гоночного автомобиля "Вильямс-Хонда 11" (Л. Шугуров. Формула номер один. //Наука и жизнь. - 1989. - 11. - С. 140. - абзац 3).

Нагнетатель обеспечивает наддув до 0,5 МПа и, регулируя частоту вращения вала нагнетателя, можно изменять давление наддува и соответственно мощность двигателя в широком диапазоне без дросселирования смеси на входе в цилиндры. Двухступенчатое сжатие и охлаждение нагнетаемого воздуха в охладителе позволит увеличить общую степень сжатия, но повышение плотности заряда увеличит склонность двигателя к детонации.

В двигателе степень сжатия в цилиндре равна степени расширения в цилиндре. Для устранения детонации снижают степень сжатия в цилиндрах двигателя, а значит снизится степень расширения в цилиндре и газы в начале выпуска будут иметь высокое давление. Непосредственно в цилиндрах энергия топлива будет использоваться хуже.

Продолженное расширение производится в газовой турбине, то есть отработавшие газы двигателя используются для привода газовой турбины. Но газовые турбины малой мощности имеют КПД 50-60%.

Кроме того, давление на входе в газовую турбину обычно примерно равно давлению сжатого воздуха на напоре нагнетателя, что в несколько раз меньше давления газа в цилиндре в начале выпуска. То есть большая часть давления теряется во время выпуска и не используется в турбине. Поэтому общий КПД двигателя с турбокомпрессором повышенного давления будет ниже, чем у двигателя без наддува.

Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры, закрытые крышками и снабженные впускными и выпускными клапанами, поршни, соединенные шатунами с коленвалом, устройство подачи топлива, механизм управления клапанами, обеспечивающий возможность закрытия впускных клапанов во второй половине хода поршня к верхней мертвой точке после такта впуска, устройство регулирования мощности двигателя (Ю.Мацкерле. Современный экономичный автомобиль. - М.: Машиностроение, 1987. - 110 с.).

Данный двигатель наиболее близок к предлагаемому и работает следующим образом. После такта впуска поршень идет к ВМТ, выталкивая смесь из цилиндра обратно во впускной коллектор, в середине хода поршня к ВМТ впускной клапан закрывается, и начинается сжатие смеси. Остальные процессы как в обычном четырехтактном двигателе. Степень сжатия в цилиндре такая, как у обычных бензиновых двигателей, а степень расширения в цилиндре в 2 раза больше.

Регулирование мощности в нем производится дросселированием смеси на входе в цилиндры.

КПД данного двигателя при максимальной нагрузке будет в 1,1 раза выше, чем КПД обычного двигателя с такой же степенью сжатия, но его КПД будет резко снижаться на частичных нагрузках. Причем снижение КПД будет в два раза быстрее, чем в обычном двигателе, потому что механические потери двигателя в основном определяются размерами двигателя и скоростью вращения вала двигателя и мало зависят от давления газа в цилиндрах. Поэтому на единицу массы газа потери будут почти в два раза больше, так как в двигателе работает в два раза меньшая масса газа по сравнению с обычным двигателем такого же размера.

Кроме того, как и в обычном двигателе, КПД будет снижаться на частичных нагрузках из-за затрат энергии на создание разрежения в цилиндрах при впуске.

Снижается КПД и из-за переобогащения смеси на частичных нагрузках для обеспечения достаточной скорости сгорания смеси при низком давлении в конце сжатия.

Поэтому на нагрузках около 50÷60% КПД двигателя данного двигателя будет сравним с КПД обычного двигателя на тех же нагрузках, а при меньшей нагрузке будет ниже, чем КПД обычного двигателя.

Кроме того, двигатель с продолженным расширением будет иметь в два раза большую массу и объем цилиндров, чем обычный бензиновый двигатель такой же мощности.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение КПД двигателя и сохранение КПД на частичных нагрузках при использовании низкооктанового топлива за счет наддува повышенного давления с охлаждением сжатого воздуха, повышения в два-три раза общей степени сжатия в двигателе при снижении в полтора-два раза степени сжатия в цилиндрах, повышения в полтора-два раза степени расширения в цилиндрах, осуществления экономичного регулирования мощности изменением давления нагнетания.

Для достижения этого технического результата двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндры, закрытые крышками, снабженные впускными клапанами и выпускными клапанами, поршни, совершающие возвратно-поступательные движения между нижней и верхней мертвыми точками, расположенные в цилиндрах и соединенные механизмом преобразования движения с валом, устройство подачи топлива, впускной трубопровод, соединенный с камерами впускных клапанов, механизм управления клапанами, обеспечивающий закрытие впускных клапанов во второй половине хода поршня к верхней мертвой точке после такта впуска, устройство регулирования мощности двигателя.

Отличительными признаками предлагаемого двигателя от наиболее близкого к нему является то, что устройство регулирования мощности двигателя содержит нагнетатель, соединенный по напору с впускным трубопроводом, охладитель, включенный в рассечку впускного трубопровода после нагнетателя, устройство регулирования числа оборотов нагнетателя, например вариатор, механически соединяющий вал двигателя с валом нагнетателя, механизм изменения передаточного числа устройства регулирования числа оборотов нагнетателя, соединенный с органами управления мощностью двигателя.

Отличительными признаками является то, что механизм управления обеспечивает закрытие впускных клапанов, когда поршень пройдет 70÷80% хода при движении к ВМТ после такта впуска, и двигатель имеет степень сжатия в цилиндрах, равную 4-8, а степень расширения в цилиндрах, равную 12÷35 при ходе поршня от ВМТ к НМТ.

Отличительными признаками является то, что нагнетатель имеет максимальную степень сжатия, равную 2÷6, а двигатель имеет максимальную общую степень сжатия, равную 10÷25.

В цилиндре двигателя сжимается смесь, заполняющая 20÷30% объема цилиндра, а для расширения газов используется весь объем цилиндра, поэтому при степени сжатия в цилиндре 4÷8 степень расширения в цилиндре двигателя будет 12÷35.

Регулирование мощности двигателя производится изменением давления на напоре нагнетателя посредством изменения скорости вращения его вала вариатором. Регулирование мощности двигателя дросселированием воздуха на всасе нагнетателя будет производиться только на режимах холостого хода. В основных режимах работы двигателя дросселирования и потерь, связанных с дросселированием, не будет.

Нагнетатель увеличивает мощность двигателя примерно до того уровня, какой имел бы обычный двигатель такого же объема цилиндров без наддува. Такого резкого снижения механического КПД при снижении нагрузки, как в прототипе, не будет, так как наддув высокого давления позволит увеличить массу газа, работающего в двигателе, в 2÷6 раз и снизить в 2÷6 раз механические потери на единицу массы газа.

В нагнетателе и цилиндрах двигателя производится двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением в охладителе. Двухступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением позволит увеличить общую степень сжатия в двигателе в 2÷3 раза в сравнении с прототипом, и дальнейшее повышение общей степени сжатия ограничивается механической прочностью двигателя. Соответственно степень сжатия на частичных нагрузках возрастет в 2÷3 раза, что позволит иметь достаточную скорость сгорания смеси в большинстве режимов работы двигателя без переобогащения смеси. Поэтому КПД предложенного двигателя на частичных нагрузках будет выше КПД прототипа.

Увеличение максимальной степени сжатия в нагнетателе до 4÷6 позволит уменьшить степень сжатия в цилиндрах двигателя в 1,5÷2 раза при увеличении общей степени сжатия в 2÷3 раза.

Уменьшение степени сжатия в цилиндрах двигателя примерно в полтора-два раза и охлаждение сжатого нагнетателем воздуха в охладителе позволит иметь довольно низкую температуру смеси в конце сжатия в цилиндре. Это обеспечит работу двигателя без детонации на бензине с низким октановым числом. При этом повышенную скорость сгорания смеси из-за высокого ее давления при загрузке двигателя, близкой к максимальной, можно снизить, обедняя смесь, или компенсировать, уменьшая угол опережения зажигания.

Степень расширения в предложенном двигателе в 3÷4 раза больше, чем у обычных бензиновых двигателей, и единица массы рабочего газа будет производить при расширении в 1,5 раза больше работы, поэтому для получения такой же мощности можно уменьшить в 1,5 раза расход рабочего газа. При том же объеме цилиндров степень расширения в цилиндрах двигателя можно будет увеличить в 1,5 раза. Степень расширения в цилиндрах будет в 1,5 раза больше максимальной общей степени сжатия в двигателе и может быть в 1,5÷2 раза больше, чем у прототипа. Это позволит более полно использовать энергию топлива.

Предлагаемый двигатель иллюстрируется чертежами, представленными на фиг. 1÷5.

На фиг. 1 показана схема двигателя во время впуска смеси в цилиндр.

На фиг. 2 показан цилиндр двигателя во время выталкивания смеси обратно во впускной трубопровод через впускной клапан.

На фиг. 3 показан цилиндр двигателя во время сжатия смеси.

На фиг. 4 показан цилиндр двигателя во время рабочего хода.

На фиг. 5 показан цилиндр двигателя во время выпуска.

Двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит цилиндр 1, закрытый крышкой 2, снабженной впускным клапаном 3 и выпускным клапаном 4, поршень 5, совершающий возвратно-поступательные движения и соединенный шатуном 6 с валом 7, устройство подачи топлива 8, механизм управления 9 клапанами 3, 4, обеспечивающий возможность закрытия впускного клапана 3 во второй половине хода поршня 5 к ВМТ после такта впуска, впускной трубопровод 10, соединенный с камерой впускного клапана 3, устройство регулирования мощности двигателя, содержащее нагнетатель 11, соединенный по напору с впускным трубопроводом 10, охладитель 12, включенный в рассечку впускного трубопровода 10 после нагнетателя 11, вариатор 13, механически соединяющий вал 7 двигателя с валом нагнетателя 11, механизм 14 изменения передаточного числа вариатора 13, дроссельную заслонку 15, установленную на всасе нагнетателя 11. Имеется свеча зажигания 16, установленная в крышке 2. Механизм 14 изменения передаточного числа вариатора 13 управляется педалью акселератора через передаточный сервопривод (не показан). Для управления двигателем возможно использование микропроцессоров с системами воздействия на механизм 14 изменения передаточного числа вариатора 13, устройство подачи топлива 8, свечу зажигания 16 и другие системы двигателя.

Работа двигателя осуществляется следующим образом. Сначала поршень 5 движется к НМТ, впускной клапан 3 открыт, смесь поступает в цилиндр 1 и происходит впуск (показано на фиг. 1). После прохождения НМТ поршень 5 движется к ВМТ и смесь из цилиндра 1 выталкивается через впускной клапан 3 обратно во впускной трубопровод 10 (показано на фиг. 2). После прохождения поршнем 5 70÷80% хода закрывается впускной клапан 3, и при дальнейшем движении поршня 5 к ВМТ в цилиндре 1 производится сжатие смеси (показано на фиг. 3). При подходе поршня 5 к ВМТ свеча зажигания 16 воспламеняет смесь и происходит сгорание топлива. Температура и давление газа в цилиндре 1 возрастают, поршень 5 проходит ВМТ и под действием расширяющихся газов движется к НМТ, то есть происходит рабочий ход (показано на фиг. 4). При подходе поршня 5 к НМТ открывается выпускной клапан 4, и при движении поршня 5 к ВМТ отработанные газы вытесняются в атмосферу, то есть происходит выпуск (показано на фиг. 5). Далее все повторяется.

Регулирование мощности двигателя осуществляется следующим образом. Для увеличения мощности двигателя увеличивается скорость вращения вала нагнетателя 11 относительно вала 7 посредством изменения передаточного числа вариатора 13 механизмом 14, при этом возрастает давление на напоре нагнетателя 11 и растет количество смеси, поступающей в цилиндр 1 за цикл. Для снижения мощности двигателя уменьшают скорость вращения вала нагнетателя 11 относительно вала 7 двигателя, при этом снижается давление на напоре нагнетателя 11 и уменьшается количество смеси, поступающей за цикл в цилиндр 1. Таким образом, давление на напоре нагнетателя 11 снижается почти до атмосферного давления. Дальнейшее снижение давления на напоре нагнетателя 11 и соответственно снижение мощности двигателя производится прикрытием дроссельной заслонки 15, но это используется только на режимах холостого хода.

В предложенном двигателе в качестве нагнетателя 11 возможно использование любых типов компрессоров: центробежных, ротационных, поршневых и других.

В качестве устройства регулирования числа оборотов нагнетателя 11 возможно применение различных устройств: вариаторов, коробок скоростей, регулируемых гидростатических передач, гидротрансформаторов и других устройств.

В качестве охладителя 12 возможно использование рекуперативных или регенеративных теплообменников.

В качестве устройства подачи 8 топлива можно использовать карбюраторы, устройства с впрыском топлива во впускной трубопровод. Но наибольшую эффективность обеспечат устройства подачи топлива с впрыском топлива в цилиндры, причем возможен многостадийный впрыск топлива для снижения максимального давления в цилиндрах.

В предложенном двигателе известное устройство, то есть двигатель с продолженным расширением, дополняется известной частью, то есть нагнетателем высокого давления с охладителем и вариатором. Подобное соединение для специалистов по двигателям необычно. Более того, наддув и продолженное расширение в основных цилиндрах считаются не совместимыми, взаимно исключающими друг друга, так как вместо сжатия в цилиндрах двигателя воздух сжимается в отдельном нагнетателе с меньшим КПД, чем в цилиндрах, а смесь в это время выталкивается из цилиндров обратно во впускной трубопровод с затратами энергии на выталкивание смеси и перемещение поршней.

Необычно для специалистов использование связанного с валом двигателя нагнетателя повышенного давления не для повышения удельной мощности двигателя, а для регулирования мощности двигателя во всех режимах работы, кроме холостого хода.

Зато, кроме уменьшения размеров и массы двигателя до значений, характерных для обычных бензиновых двигателей, обеспечения более экономичного, чем дросселирование, регулирования мощности двигателя соединение высокого наддува с продолженным расширением в основных цилиндрах обеспечивает получение новых технических результатов.

Во-первых, предложенный двигатель в сравнении с прототипом имеет в 2÷3 раза большую общую степень сжатия за счет осуществления двухступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением, следовательно, увеличится в 2÷3 раза степень сжатия на частичных нагрузках. Это повысит КПД двигателя во всем диапазоне нагрузок, так как не нужно будет переобогащать смесь на низких нагрузках.

Во-вторых, уменьшение степени сжатия в цилиндре двигателя в 1,5÷2 раза при охлаждении сжатого нагнетателем воздуха в охладителе позволит иметь достаточно низкую температуру смеси в конце сжатия в цилиндрах и обеспечит работу предложенного двигателя на топливе с низким октановым числом, то есть более дешевом топливе.

В-третьих, степень расширения в цилиндрах двигателя будет примерно в 1,5 раза больше максимальной общей степени сжатия в двигателе и может быть в 1,5÷2 раза больше, чем у прототипа, а это позволит более полно использовать энергию топлива.

В-четвертых, КПД предложенного двигателя сохраняется примерно постоянным в широком диапазоне изменения нагрузки. При снижении загрузки двигателя снижается давление нагнетания и уменьшаются затраты энергии на сжатие нагнетателем единицы массы газа, но почти на такую же величину возрастают механические потери, приходящиеся на единицу массы газа, работающего в двигателе.

Расчеты показывают, что предложенный двигатель может иметь максимальную общую степень сжатия 10÷25, степень расширения в цилиндрах 12÷35, степень сжатия в цилиндрах 4÷8, степень сжатия в нагнетателе 2÷6. Прототип имеет степень сжатия 8 и степень расширения 16.

Во всех режимах работы КПД предложенного двигателя будет выше КПД прототипа, причем со снижением нагрузки разница возрастает. А так как автомобильные двигатели до 90% времени работают на частичных нагрузках, предложенный двигатель обеспечит некоторую экономию топлива.

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к системам регулирования двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение КПД двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит механизм управления клапанами, обеспечивающий возможность закрытия впускных клапанов во второй половине хода поршня к верхней мертвой точке после такта впуска, и устройство регулирования мощности двигателя. Согласно изобретению устройство регулирования мощности двигателя содержит нагнетатель, соединенный по напору с впускным трубопроводом, охладитель, включенный в рассечку впускного трубопровода после нагнетателя, и устройство регулирования числа оборотов нагнетателя с механизмом изменения передаточного числа, соединенным с органами управления мощностью двигателя. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндры, закрытые крышками, снабженные впускными клапанами и выпускными клапанами, поршни, расположенные в цилиндрах, совершающие возвратно-поступательные движения между верхней и нижней мертвыми точками и соединенные механизмом преобразования движения с валом, устройство подачи топлива, впускной трубопровод, соединенный с камерами впускных клапанов, механизм управления клапанами, обеспечивающий возможность закрытия впускных клапанов во второй половине хода поршня к верхней мертвой точке после такта впуска, устройство регулирования мощности двигателя, отличающийся тем, что устройство регулирования мощности двигателя содержит нагнетатель, соединенный по напору с впускным трубопроводом, охладитель, включенный в рассечку впускного трубопровода после нагнетателя, устройство регулирования числа оборотов нагнетателя, например вариатор, механически соединяющий вал двигателя с валом нагнетателя, механизм изменения передаточного числа устройства регулирования числа оборотов нагнетателя, соединенный с органами управления мощностью двигателя. 2. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что механизм управления клапанами выполнен с возможностью обеспечения закрытия впускных клапанов во время хода поршня к верхней мертвой точке, после такта впуска, после прохождения поршнем 70-80% хода, а цилиндры, поршни и механизм преобразования движения поршней с валом выполнены с возможностью обеспечения степени сжатия в цилиндрах, равной 4-8, после закрытия впускных клапанов и степени расширения, равной 12-35, при ходе поршней от ВМТ до НМТ. 3. Двигатель внутреннего сгорания по п.1, отличающийся тем, что двигатель имеет общую суммарную степень сжатия, равную 10-25, обеспечиваемую за счет выполнения нагнетателя с максимальной степенью сжатия, равной 2-6, степенью сжатия в цилиндрах двигателя, равной 4-8 и наличием охладителя сжатого воздуха.