Изобретение относится к машиностроению, в частности к двухтактным и четырехтактным двигателям внутреннего сгорания.
Наиболее близкими аналогами заявленных изобретений являются двигатели, известные из источников [1, 2].
Недостатками известных двигателей являются малая надежность, удельная мощность и недостаточная экономичность.
Техническим результатом заявленных изобретений является повышение надежности, экономичности и удельной литровой мощности двигателя, для чего необходимо обеспечить условия работы двигателя на бедной смеси и обеспечить ее надежное воспламенение.
Поставленная задача в части первого варианта, описанного в пунктах 1-3 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный или четырехтактный содержит несколько соединенных между собой цилиндров, имеющих общую камеру сгорания и форсунку для впрыска топлива при подходе поршня к верхней мертвой точке. Согласно изобретению, смежные цилиндры соединены между собой через отверстие в стенке цилиндра, которое выполнено в верхней части цилиндра и перекрывается верхней частью поршня при его подходе к верхней мертвой точке.
Поставленная задача достигается также тем, что смежные цилиндры могут быть соединены между собой через дополнительное отверстие в стенке цилиндра, которое выполнено в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке.
Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь основную форсунку, которая подключена к одному из смежных цилиндров и подает в этот цилиндр количество топлива, достаточное для его воспламенения, а в другом цилиндре может быть установлена дополнительная форсунка для впрыска в цилиндр небольшого количества топлива для образования бедной смеси или для подачи в цилиндр парообразующей жидкости.
Поставленная задача в части второго варианта, описанного в пунктах 4-7 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный содержит рабочий цилиндр с поршнем и впускные окна рабочего цилиндра, которые выполнены в нижней части цилиндра над поршнем при его положении в нижней мертвой точке и соединены с внешним источником наддува, например, с помощью перепускного канала с компрессорным цилиндром, поршень которого работает в противофазе с поршнем рабочего цилиндра. Согласно изобретению, продувка рабочего цилиндра ведется от внешнего источника продувки через выполненные в верхней части цилиндра впускные и выпускные окна с клапанами (тарельчатыми, золотниковыми или дисковыми), управляемыми механизмом газораспределения, фазы работы которого установлены так, что продувка цилиндра ведется до открытия впускных окон, выполненных в нижней части цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что к перепускному каналу может быть подключена форсунка для впрыска топлива в рабочий цилиндр после окончания его продувки.
Поставленная задача достигается также тем, что компрессорный цилиндр может быть снабжен устройством для регулирования производительности.
Поставленная задача достигается также тем, что рабочий цилиндр может состоять из нескольких соединенных между собой цилиндров, имеющих общую камеру сгорания.
Поставленная задача в части третьего варианта, описанного в пунктах 8-13 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный содержит рабочий цилиндр с поршнем, выпускные окна цилиндра, выполненные над поршнем при его положении в нижней мертвой точке, впускные окна, внешний источник продувки, например в виде нагнетателя или компрессорного цилиндра, и устройство для топливоподачи. Согласно изобретению, впускные окна расположены в верхней части цилиндра и соединены с камерами впуска, в каждой из которых установлен связанный по вращению с валом двигателя цилиндрический золотник с окнами, которые размещены на цилиндрической поверхности золотника по углу поворота вала так, что их закрытие происходит после закрытия поршнем выпускных окон, при этом одна камера низкого давления является продувочной и подключена к нагнетателю напрямую без дросселирования поступающего от нагнетателя воздуха, а другая камера высокого давления на входе имеет регулятор количества поступающего в цилиндр газа и подает в цилиндр газ после закрытия поршнем выпускных окон.
Поставленная задача достигается также тем, что рабочий цилиндр может состоять из нескольких соединенных между собой цилиндров, имеющих общую камеру сгорания.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство для топливоподачи может включать в себя форсунку для впрыска топлива, которая установлена в канале, соединяющем камеру впуска высокого давления с рабочим цилиндром двигателя.
Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь цилиндр двухстороннего действия, у которого с одной стороны поршня, обращенной к механизму движения поршня, образована полость компрессора, которая соединена с камерой высокого давления, а с другой стороны поршня образована полость двигателя.
Поставленная задача достигается также тем, что он может иметь цилиндр двухстороннего действия, у которого с двух сторон поршня образованы полости двигателя.
Поставленная задача достигается также тем, что в камерах впуска ось вращения золотников может быть расположена вдоль оси цилиндра.
Поставленная задача в части четвертого варианта, описанного в пункте 14 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания двухтактный или четырехтактный содержит два размещенных рядом и параллельно друг другу рабочих цилиндра, поршни которых совершают движение в различном направлении, а также впускные и выпускные окна цилиндров, соединенные соответственно с камерой впуска и камерой выпуска, в которых установлены цилиндрические золотники с окнами, связанные по вращению с валом двигателя. Согласно изобретению, камеры и золотники имеют дополнительные окна в осевом направлении, которые размещены на цилиндрической поверхности золотников по углу поворота вала в соответствии с заданными фазами распределения рабочей среды для смежного цилиндра, а дополнительные окна камер соединены с помощью каналов с соответствующими окнами смежного цилиндра.
Поставленная задача в части пятого варианта, описанного в пунктах 15-24 формулы изобретения, достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит два или несколько цилиндров, имеющих поршни, а также впускные и выпускные окна цилиндров. Согласно изобретению, один или несколько цилиндров являются стартовыми и снабжены перепускными клапанами принудительного действия, которые соединяют стартовый цилиндр с дополнительным цилиндром при подходе их поршней к верхней мертвой точке, а дополнительные цилиндры имеют двухтактный принцип работы и снабжены выпускными клапанами принудительного действия, которые открываются и остаются открытыми при движении поршня от нижней к верхней мертвой точке.
Поставленная задача достигается также тем, что дополнительные цилиндры могут быть снабжены форсунками, которые после закрытия их выпускных клапанов и перед открытием перепускных клапанов подают в цилиндр топливо и сжатый воздух в оптимальном количестве и соотношении в зависимости от заданного режима работы двигателя.
Поставленная задача достигается также тем, что он может содержать несколько последовательно соединенных между собой дополнительных цилиндров, которые снабжены для соединения друг с другом перепускными клапанами принудительного действия, а создание давления в отдельном дополнительном цилиндре при положении его поршня вблизи верхней мертвой точки осуществляется путем сброса давления через перепускной клапан из рядом стоящего цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что на линии перепуска газа из одного цилиндра в другой может быть установлен самодействующий обратный клапан.
Поставленная задача достигается также тем, что поршень предыдущего цилиндра, из которого осуществляется перепуск газа, в своем движении может опережать поршень последующего цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что дополнительные цилиндры могут быть снабжены форсунками для подачи в цилиндр пара или парообразующей жидкости, а для образования пара используется тепло, выделяемое двигателем.
Поставленная задача достигается также тем, что двигатель может быть снабжен турбонагнетателем, который на входе подключен к выхлопному коллектору дополнительных цилиндров, а на выходе подключен к впускному коллектору стартовых цилиндров.
Поставленная задача достигается также тем, что дополнительный цилиндр может быть подключен к предыдущему цилиндру как дополнительная рабочая полость и служит для более полного использования энергии сжатого газа при расширении и для снижения давления выхлопных газов.
Поставленная задача достигается также тем, что стартовые цилиндры могут иметь четырехтактный принцип работы и расположены с двух сторон дополнительного цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что стартовый цилиндр может иметь двухтактный принцип работы и расположен между дополнительными цилиндрами.
Изобретения поясняются при помощи чертежей.
На фиг.1 показана конструкция первого варианта двухтактного двигателя;
на фиг.2 показана конструкция двигателя, который может быть двухтактным или четырехтактным в зависимости от заданных фаз газораспределения;
на фиг.3 показана конструкция второго варианта двигателя, двухцилиндрового;
на фиг.4 - то же, одноцилиндровый вариант;
на фиг.5 показан трехцилиндровый двигатель по второму варианту;
на фиг.6 - двухцилиндровый двигатель по второму варианту, с внешним источником наддува;
на фиг.7 показан третий вариант двигателя;
на фиг.8 - то же, двухцилиндровый двигатель;
на фиг.9 - третий вариант, одноцилиндровый двигатель с впускным и продувочным окнами;
на фиг.10 - то же, двухцилиндровый вариант с двумя рабочими цилиндрами;
на фиг.11 - двухцилиндровый вариант с рабочим и компрессорным цилиндрами;
на фиг.12 - третий вариант, одноцилиндровый двигатель с цилиндром двухстороннего действия, одна из сторон которого является компрессорной;
на фиг.13 - то же, с дополнительным компрессорным цилиндром;
на фиг.14 - одноцилиндровый двигатель с цилиндром двухстороннего действия, обе стороны которого являются рабочими;
на фиг.15 - с дополнительным соосным рабочим цилиндром;
на фиг.16 представлен четвертый вариант двигателя;
на фиг.17 представлен пятый вариант двигателя со стартовым двухтактным цилиндром и двумя дополнительными;
на фиг.18 - то же, с симметрично расположенными относительно стартового цилиндра дополнительными цилиндрами, подключенными к стартовому параллельно;
на фиг.19 - пятый вариант двигателя с двумя четырехтактными стартовыми цилиндрами и одним дополнительным;
на фиг.20 приведена диаграмма, на которой показаны характерные точки и фазы работы стартового двухтактного цилиндра;
на фиг.21 - диаграмма, на которой показаны характерные точки и фазы работы дополнительного цилиндра без подачи в него топлива;
на фиг.22 - то же, при подаче в него топлива;
на фиг.23 - диаграммы I и II, на которых показаны характерные точки и фазы работы двух четырехтактных стартовых цилиндров, имеющих смещение циклов по углу поворота вала на 360°.
Изобретение по первому варианту выполнения, описанное в пунктах 1-3 формулы изобретения, содержит левый рабочий цилиндр 1; правый рабочий цилиндр 2; поршень 3 цилиндра 1; поршень 4 цилиндра 2; стенку 5, разделяющую смежные цилиндры; верхнее отверстие 6 в стенке 5; форсунку 7 высокого давления, основную для впрыска и поджигания топлива в цилиндре 1; форсунку 8 дополнительную для впрыска в цилиндр 2 небольшого количества топлива и образования в этом цилиндре бедной, не самовоспламеняющейся смеси, например, в соотношении один к пятидесяти, или форсунку для подачи в цилиндр 2 парообразующей жидкости; нагнетатель 9; регулятор 10 производительности нагнетателя 9 (например, воздушная заслонка); впускное окно 11 цилиндра 2; выпускное окно 12 цилиндра 1. На фиг.2 дополнительно показаны нижнее дополнительное продувочное отверстие 13 в стенке 5, разделяющей смежные цилиндры; камера 14 (коллектор) впуска; камера 15 выпуска; впускное окно 16 камеры 14; выпускное окно 17 камеры 15; выпускные клапаны 18 цилиндра 1; впускные клапаны 19 цилиндра 2; вал 20 привода распределительных клапанов 18 и 19.
Двигатель по варианту 1 может быть двухтактным или четырехтактным и имеет минимум два смежных взаимосвязанных цилиндра, которые соединены между собой и имеют общую камеру сгорания.
Принцип работы многоцилиндрового двигателя, имеющего группы цилиндров, из которых каждая группа цилиндров имеет общую камеру сгорания, не будет отличаться от двигателя, имеющего два смежных взаимосвязанных цилиндра.
На фиг.1 показан двухцилиндровый двухтактный двигатель, имеющий на два цилиндра общую камеру сгорания. Цилиндр 2 имеет впускные окна 11, а цилиндр 1 имеет выпускные окна 12. В результате обеспечивается последовательная прямоточная продувка сначала цилиндра 2, а затем цилиндра 1. Поршень 3 цилиндра 1 с выпускными окнами 12 при перемещении опережает поршень 4 за счет смещения по углу поворота своего кривошипа по отношению к кривошипу поршня 4. В результате происходит опережение открытия и закрытия выпускных окон 12 по отношению к впускным окнам 11, что позволяет после закрытия выпускных окон 12 поднять давление в цилиндрах выше атмосферного давления за счет наддува.
Принцип работы двухтактного двигателя заключается в следующем. На фиг.1 показано положение поршней, при котором заканчивается их рабочий ход. Когда поршень 3 цилиндра 1 подходит к НМТ, сначала открываются выпускные окна 12. Происходит выпуск сгоревших газов. Затем выпускные окна 12 начинают закрываться поршнем 3, который начинает движение к ВМТ. а впускные окна начинают открываться поршнем 4, который идет к НМТ. В это время происходит продувка цилиндров 1 и 2 свежим газом, который поступает от нагнетателя 9. Количество поступающего от нагнетателя 9 в цилиндры 1 и 2 воздуха, от которого зависит текущая мощность двигателя, изменяется регулятором производительности 10. После закрытия выпускных окон 12 впускные окна 11 остаются еще открытыми. В результате происходит заполнение цилиндра 1 и цилиндра 2 до давления выше атмосферного, которое может создать нагнетатель 9. После закрытия впускных окон поршни продолжают движение к ВМТ и начинается процесс сжатия. При подходе поршней к ВМТ вперед движется поршень 3 и первым перекрывает отверстие 6, которое соединяет камеру сгорания в цилиндре 1 с камерой сгорания в цилиндре 2. В этот момент происходит впрыск топлива в цилиндр 1 с помощью форсунки 7 высокого давления. Топливо от форсунки 7 в цилиндр 2 не попадает, т.к. окно 6 еще закрыто. В результате в цилиндре 1 создается оптимальный состав топливовоздушной смеси для ее самовоспламенения (дизельный вариант) или ее воспламенения от свечи зажигания. При этом в цилиндр 2 топливо вообще не подается или впрыскивается дополнительной форсункой 8 в малом количестве для образования в цилиндре 2 бедной смеси, которая самостоятельно не воспламеняется. В другом варианте через форсунку 8 может впрыскиваться парообразующая жидкость. В результате загорания топливной смеси в цилиндре 1 давление на поршень 3 растет, и оба поршня начинают движение к НМТ.
Открывается отверстие 6 в стенке 5 цилиндра и газ, имеющий высокую температуру и давление, врывается в цилиндр 2. При этом при отсутствии топлива в цилиндре 2 давление распределяется на оба поршня и сгорание топлива в цилиндрах происходит с избытком кислорода. Т.е. происходит более полное сгорание топлива и снижается давление газа при подходе поршней к НМТ, что повышает экономичность двигателя. Если в цилиндр 2 через дополнительную форсунку 8 впрыскивается небольшое количество топлива для образования в цилиндре 1 бедной смеси, которая самостоятельно не воспламеняется, то она загорается при открытии отверстия 6 от факела, идущего из цилиндра 1, что также приводит к повышению экономичности двигателя. При такой конструкции двигателя сгорание топливовоздушной смеси в цилиндрах 1 и 2 становится возможным при соотношении топлива и воздуха один к пятидесяти и более, тогда как в существующих двигателях топливовоздушная смесь может загореться при соотношении один к четырнадцати. Но известно, что чем беднее смесь, тем экономичнее двигатель. При открытии выпускных окон 12 происходит выпуск выхлопных газов и стадии работы двигателя повторяются.
В настоящее время известны способы поджигания бедной смеси в цилиндре, например с использованием форкамеры, которая после поджигания топливной смеси в ограниченном объеме форкамеры образует узкий факел для поджигания топливной смеси в цилиндре. Однако форкамера не позволяет значительно обеднять топливную смесь. Это объясняется тем, что форкамера не изолирована от основного цилиндра и невозможно значительно изменить состав топливной смеси в двух соединенных между собой объемах. В момент поджигания бедной смеси в цилиндре в нем еще имеет место небольшое давление, которое было создано в результате сжатия газа (степень сжатия в дизельном двигателе), а также невысокая температура. Факел от форкамеры не может сразу разогреть смесь и поднять давление в цилиндре. В предложенном варианте двигателя одна полость цилиндра изолирована от другой, а поэтому в изолированной полости проще создать оптимальную смесь для ее воспламенения. После открытия окна 6 в соседней полости, имеющей бедную смесь, скачкообразно создается высокое давление и температура, что создает лучшие условия для поджигания смеси.
В другом варианте в цилиндр 2 при закрытом окне 6 через форсунку 8 может подаваться парообразующая жидкость (например, вода), которая не оказывает влияния на условия воспламенения топливной смеси в цилиндре 1. При открытии окна 6 газ в цилиндре 1, имеющий после воспламенения высокую температуру и давление, врывается в цилиндр 2 и вызывает образование пара, который дополнительно поднимает давление в цилиндрах 1 и 2 и давит на поршни 3 и 4. В результате увеличивается мощность двигателя и повышается его экономичность.
Такой способ подачи в цилиндры воды, в отличие от существующих способов, не мешает процессу загорания и горения газа, т.к. подача воды происходит при небольшом давлении в цилиндре 2 после загорания топлива в цилиндре 1, куда жидкость в момент загорания топлива не поступает. Кроме того, подача в цилиндры парообразующей жидкости снижает температуру выходящих газов и снижает тепловой режим работы двигателя.
На фиг.2 показана конструкция двухцилиндрового двигателя с клапанным газораспределением, который может использоваться или как двухтактный или как четырехтактный двигатель. У этого двигателя над цилиндрами расположены изолированные друг от друга камера впуска 14 и камера выпуска 15. В камерах размещены впускные 18 и выпускные клапаны 19, которые по принципу работы могут быть тарельчатыми, золотниковыми или дисковыми и приводятся в действие валом 20 распределительного механизма от вала двигателя. Срабатывание клапанов происходит согласно выбранным фазам газораспределения для двухтактного или четырехтактного двигателя.
Принцип работы двухтактного двигателя, показанного на фиг.2, заключается в следующем.
Поршни 3 и 4 цилиндров 1 и 2 движутся синхронно в одном направлении. При положении поршней 3 и 4 в НМТ закончился рабочий ход поршней. Сгоревший газ из цилиндра 1 через выпускные клапаны 18 поступает в камеру выпуска 15, а затем через выпускное окно 17 в атмосферу. Из цилиндра 2 газ через отверстия 6 и 12 сначала поступает в цилиндр 1, а затем, так же как и из цилиндра 1, поступает в атмосферу. С помощью заданных фаз газораспределения можно обеспечить сначала открытие выпускных клапанов 18, после чего начнется выпуск из цилиндров сгоревшего газа при положении поршней на уровне НВ (начало выпуска), затем открываются впускные клапаны 19 и идет продувка цилиндров при положении поршней на уровне НП (начало продувки), при положении поршней на уровне ОП (окончание продувки) выпускные клапаны 18 закрываются и при открытых впускных клапанах 19 идет заполнение цилиндров свежим газом. В НМТ впускные клапаны 18 закрываются на уровне ЗК (закрытие клапанов). При таких фазах газораспределения произойдет заполнение цилиндров с избыточным давлением, которое может создать нагнетатель 9.
После заполнения цилиндров и закрытия всех клапанов поршни 3 и 4 идут к ВМТ и начинается процесс сжатия в обоих цилиндрах. При подходе поршней к ВМТ перекрывается отверстие 6 и камеры сгорания цилиндра 1 и 2 изолируются друг от друга. В цилиндр 1 через форсунку 7 впрыскивается количество топлива, достаточное для самовоспламенения топливовоздушной смеси в цилиндре 1. При этом топливо в цилиндр 2 не поступает, если цилиндр 1 не имеет форсунки, или подается через дополнительную форсунку 8 для образования в цилиндре 2 бедной смеси, которая самостоятельно не воспламеняется. При движении поршней 3 и 4 к НМТ открывается отверстие 6 и горящий газ с большим давлением и температурой врывается в цилиндр 2 и поджигает бедную смесь. Начинается рабочий ход поршней, затем выпуск сгоревших газов и стадии работы двухтактного двигателя повторяются через 360° поворота вала. В цилиндр 2 вместо топлива через форсунку 8 может подаваться парообразующая жидкость. Работа четырехтактного двигателя отличается от двухтактного тем, что стадии работы двигателя повторяются через два оборота вала, т.е. через 720° угла поворота вала. За это время поршни дважды подходят к ВМТ и к НМТ.
Работа двигателя происходит следующим образом. Первая фаза - поршни идут к НМТ, открываются впускные клапаны 17 и происходит процесс всасывания воздуха в цилиндре 2 и в цилиндре 1. В цилиндр 2 газ попадает через клапаны 19. В цилиндр 1 газ поступает транзитом из цилиндра 2 через отверстие 6. В НМТ давление в цилиндрах 1 и 2 выравнивается за счет открытия дополнительного отверстия 13. Вторая фаза - все клапаны закрыты, поршни идут к ВМТ и происходит процесс сжатия. При подходе к ВМТ поршни перекрывают отверстие 6 и камеры сгорания цилиндра 1 и цилиндра 2 на время изолируются друг от друга. Впрыскивается топливо в цилиндр 1 и происходит самовоспламенение топливовоздушной смеси (дизельный вариант) или поджигание смеси от свечи зажигания. В цилиндр 2, если есть дополнительная форсунка 8, впрыскивается количество топлива для образования бедной смеси, которая в результате сжатия не воспламеняется и не может быть подожжена при срабатывании обычной свечи зажигания. Третья фаза - при движении поршней к НМТ открывается отверстие 6 и горящий газ из цилиндра 1 с большой температурой и под большим давлением врывается в цилиндр 2 и поджигает там бедную смесь. Давление вырастает и начинается рабочий ход поршней 3 и 4. При подходе к НМТ открываются выпускные клапаны 18 и происходит выпуск выхлопных газов, сначала из цилиндра 1, а затем из цилиндра 2 газ через отверстия 6 и 12 сначала поступает в цилиндр 1, а потом через клапаны 18 газ выпускается в атмосферу. Четвертая фаза - выпускные клапаны 18 остаются открытыми и при движении поршней к ВМТ происходит полная очистка цилиндров 1 и 2 от выхлопных газов. Как видно, такой четырехтактный двигатель может работать на бедной смеси, что позволяет увеличить его экономичность на единицу мощности, т.к. происходит более полное сгорание топлива с избытком кислорода. Повышается чистота выхлопных газов. Кроме того, снижается давление газа в конце рабочего хода поршней, т.к. сжигается меньшее количество топлива в цилиндрах 1 и 2, что повышает коэффициент полезного действия двигателя. Через форсунку 8 вместо топлива может подаваться парообразующая жидкость, что также повышает эффективность работы двигателя.
Двигатель по второму варианту, описанному в пунктах 4-7 формулы изобретения, содержит рабочий цилиндр 2; поршень 4 рабочего цилиндра; компрессорный цилиндр 21; поршень 22 компрессорного цилиндра; впускные верхние продувочные окна 23 рабочего цилиндра 2; впускные клапаны 19 рабочего цилиндра; выпускные продувочные окна 24 рабочего цилиндра 2; выпускные клапаны 18 рабочего цилиндра; впускные нижние окна 9 рабочего цилиндра; впускные окна 25 компрессорного цилиндра 21; впускные клапаны 26 компрессорного цилиндра 21; выпускное окно 27 компрессорного цилиндра 21; перепускной канал 28; вал 20 привода распределительного механизма для управления клапанами, которые могут быть тарельчатыми, золотниковыми или дисковыми; шкив 29 вала 20; камеру впуска 30 компрессорного цилиндра 21; впускное окно 31 камеры 30; камеру впуска 14 рабочего цилиндра 2; впускное окно 16 камеры 14; общий нагнетатель 32 для продувки цилиндра и для подачи в него свежей порции газа; устройство 33 для регулирования подачи воздуха от нагнетателя 32; камеру выпуска 15 рабочего цилиндра 1; выпускное окно 17 камеры 15; свечу зажигания 34 для двигателя с принудительным зажиганием или форсунку 7 высокого давления для дизельного варианта двигателя с самовоспламенением; форсунку 35 низкого давления для двигателя с принудительным зажиганием.
На фиг.5 и 6 показаны рабочий цилиндр 1 левый; рабочий цилиндр 2 правый; стенка 5, разделяющая цилиндры 1 и 2; отверстие 6 в верхней части стенки цилиндров; продувочное отверстие 13 в нижней части стенки цилиндра; поршень 3 цилиндра 1; поршень 4 цилиндра 2; форсунка 8 для подачи в цилиндр 2 небольшого количества топлива с целью образования в этом цилиндре бедной, не самовоспламеняющейся смеси или для подачи в цилиндр парообразующей жидкости.
Двигатель по варианту 2 может быть с принудительным зажиганием, например от свечи зажигания или дизельным с воспламенением горючей смеси в результате ее сжатия.
Принцип работы двухтактного дизельного двигателя, показанного на фиг.3, заключается в следующем. При подходе поршня 4 рабочего цилиндра 2 к ВМТ через форсунку высокого давления 7 в цилиндр 2 впрыскивается порция топлива в количестве, достаточном для самовоспламенения топливовоздушной смеси. В результате сжатия происходит воспламенение топливной смеси. В цилиндре 2 вырастает давление и поршень 4 начинает рабочий ход к НМТ. В это время поршень 22 компрессорного цилиндра 21 начинает движение к ВМТ и сжимает находящийся в нем чистый воздух. При подходе поршня рабочего цилиндра к НМТ (см. положение поршня НВ, показанное пунктиром, что соответствует началу выпуска) сначала открываются выпускные клапаны 18 и выхлопные газы из цилиндра 2 попадают в камеру выпуска 15, а затем в атмосферу. После падения давления в цилиндре 1, когда выпускные клапаны 18 еще открыты, открываются впускные клапаны 19 (положение поршня НП, что соответствует началу продувки), и происходит продувка рабочего цилиндра 2 от остаточных выхлопных газов свежим воздухом, который поступает в цилиндр под давлением от нагнетателя 32. При этом количество воздуха, поступающего в цилиндр для продувки, не зависит от режимов работы двигателя, т.к. воздух поступает от нагнетателя без изменения его максимальной расчетной производительности. После продувки цилиндра 2 (положение поршня ОП, что соответствует окончанию продувки) закрываются выпускные клапаны 18, а впускные клапаны 19 остаются еще открытыми. В результате, воздух под давлением поступает в замкнутый объем и в рабочем цилиндре устанавливается избыточное давление, которое может создать нагнетатель 32. После заполнения цилиндра 2 до расчетного постоянного давления закрываются впускные клапаны 19 (положение поршня ЗК, что соответствует закрытию впускных клапанов 19). В это время компрессорный поршень 22 подходит к ВМТ и сжимает воздух до расчетного давления. Когда поршень 4 рабочего цилиндра при движении к НМТ открывает окна 9, весь сжатый воздух из цилиндра 21 через окно 27, перепускной канал 28 и окно 9 выталкивается в цилиндр 2 и дополнительно поднимает в нем давление до уровня, который не может создать центробежный нагнетатель. За счет смещения по углу поворота кривошипа поршня рабочего цилиндра по отношению к кривошипу поршня компрессорного цилиндра предусмотрено, что поршень компрессорного цилиндра пойдет к НМТ только после закрытия окон 9 рабочего цилиндра, что исключает обратный отток газа из рабочего цилиндра в насосный цилиндр. При движении поршня 4 рабочего цилиндра к ВМТ в цилиндре 2 идет сжатие, а поршень 22 компрессорного цилиндра 21 движется к НМТ. В начале движения поршня 22 к НМТ открываются впускные клапаны 26 и в компрессорном цилиндре 21 происходит процесс всасывания, при котором воздух в компрессорный цилиндр поступает от нагнетателя 32. Нагнетатель 32 подключен параллельно к рабочему цилиндру 2 для его продувки и к компрессорному цилиндру 21 для его заполнения и подает воздух в эти цилиндры поочередно, т.к. цилиндры 2 и 21 работают в противофазе по отношению друг к другу. Количество поступающего в цилиндр 21 газа может регулироваться в зависимости от требуемой мощности двигателя регулятором производительности цилиндра 21, например дроссельной заслонкой 33. Такая конструкция дизельного двигателя позволяет обеспечить эффективную продувку рабочего цилиндра на всех режимах его работы, т.к. цилиндр продувается постоянным максимальным количеством воздуха, поступающем от нагнетателя без дросселирования даже при работе двигателя на режиме сниженной мощности. Кроме того, за счет работы нагнетателя 32 и компрессорного цилиндра 21 увеличивается весовой коэффициент наполнения рабочего цилиндра. Изменение режимов работы двигателя достигается за счет регулирования количества подаваемого в цилиндр топлива через форсунку и регулирования количества воздуха, поступающего в компрессорный цилиндр. В результате, увеличивается удельная мощность двигателя, снижается его масса при заданной мощности, повышается экономичность и чистота выхлопных газов.
Бензиновый вариант двигателя на фиг.3 вместо форсунки высокого давления 7 имеет форсунку низкого давления 35.
Принцип работы двухтактного бензинового двигателя, изображенного на фиг.3, в варианте с искровым зажиганием заключается в следующем. После зажигания топливной смеси от свечи зажигания 34 стадии работы двигателя - рабочий ход и продувка цилиндра такие же, как у дизельного двигателя. Отличие заключается в том, что форсунка низкого давления 35 подключена к перепускному каналу 28 и срабатывает в момент открытия окон 9. В результате, когда открывается окно 9, газ из компрессорного цилиндра 21 под давлением врывается в рабочий цилиндр 2 и дополнительно распыляет топливо, которое выбрасывается через форсунку 35. Более эффективное распыление топлива позволяет улучшить процесс его сгорания, а следовательно, увеличить мощность и экономичность двигателя и повысить чистоту выхлопных газов. Последующие стадии работы двигателя с искровым зажиганием такие же, как у дизельного двигателя, описанные выше.
Принцип работы двигателя по варианту, изображенному на фиг.4, отличается от варианта фиг.3 тем, что для наддува в рабочий цилиндр использован не компрессорный цилиндр, а общий нагнетатель 32, соединенный параллельно с камерой впуска 14 и с нижним впускным окном 9 рабочего цилиндра 2. При этом, когда заканчивается рабочий ход поршня сначала открываются выпускные клапаны 18 (положение поршня НВ, что соответствует началу выпуска) и происходит выпуск выхлопных газов. Затем открываются впускные клапаны (положение поршня НП, что соответствует началу продувки) и при открытых выпускных и впускных клапанах происходит продувка цилиндра воздухом, который поступает от нагнетателя 32. После продувки, когда впускные и выпускные клапаны закрываются (положение поршня ЗК, что соответствует закрытию клапанов), давление в цилиндре 2 устанавливается ниже, чем может создать нагнетатель 32, т.к. продувка велась при открытых выпускных окнах 24. Поршень 4 продолжает движение к НМТ и открывает нижнее впускное окно 9, через которое воздух под давлением от нагнетателя 32 дополнительно поступает в рабочий цилиндр 2. Поскольку все выпускные окна закрыты, в цилиндре может создаться избыточное давление, которое может создать нагнетатель 32. Количество поступающего в цилиндр 2 воздуха регулируется дроссельной заслонкой 33. После закрытия впускных окон 9 в цилиндре 2 начинается процесс сжатия. В дизельном варианте двигателя топливо в конце сжатия подается через форсунку высокого давления 7. В варианте зажигания топлива от свечи зажигания во время заполнения цилиндра при открытом окне 9 в цилиндр подается топливо с помощью форсунки низкого давления 35, которая установлена на пути движения потока газа, поступающего в цилиндр. Топливо дополнительно распыляется потоком сжатого воздуха. Затем идет сжатие топливовоздушной смеси и ее поджигание при положении поршня в ВМТ. Описанные схемы работы двигателя по варианту 2 позволяют вести эффективную продувку цилиндра постоянным количеством воздуха независимо от режима работы двигателя и исключают какие-либо потери топлива при продувке цилиндра и при его заполнении, что обеспечивает экономичность двигателя и экологическую чистоту выхлопных газов.
Для дополнительного повышения эффективности работы дизельного двигателя на фиг.5 и фиг.6 показано, что рабочий цилиндр может состоять из двух или нескольких цилиндров, имеющих общую камеру сгорания, у которых смежные цилиндры соединены между собой через два отверстия, из которых одно отверстие 6 выполнено в стенке цилиндра в его верхней части и перекрывается верхней частью поршня при его подходе к ВМТ, а другое дополнительное продувочное отверстие 13 выполнено в стенке цилиндра в его нижней части. При этом в отличие от первого варианта двигателя, изображенного на фиг.1 и 2, дополнительное продувочное отверстие 13 выполнено на уровне выше, чем нижнее впускное окно 9 от компрессорного цилиндра 21. Это объясняется тем, что продувка цилиндров начинается до открытия впускного окна 9. При нескольких рабочих цилиндрах, имеющих общую камеру сгорания, становится возможным, как это описано в первом варианте, сначала зажечь богатую смесь в одном цилиндре, а в других цилиндрах сжигать бедную топливную смесь или подавать в цилиндр 2 при закрытых окнах 6 парообразующую жидкость.
В двигателе (3), принятом в качестве прототипа для третьего варианта двигателя, нельзя создать давление газа в цилиндре выше атмосферного при его заполнении. Кроме того, на входе в цилиндр известного двигателя установлен самодействующий клапан, на который действуют высокое давление и температура газа при сгорании топлива и который работает с большой цикличностью, что не позволяет по условиям надежности работы самодействующего клапана увеличивать скорость вращения двигателя, что ведет к снижению его литровой мощности.
Двигатель по варианту 3 может быть дизельным с самовоспламенением топливовоздушной смеси при сжатии или с принудительным зажиганием топливной смеси.
Изложенная сущность исполнения двигателя по варианту 3, описанному в пунктах 8-13 формулы изобретения, поясняется на фиг.7-15, которые имеют позиции: рабочий цилиндр 1; поршень 3 цилиндра 1; верхние впускные окна 44 цилиндра; выпускные окна 12 цилиндра; камеру впуска 14; впускное окно 16 камеры 14; нагнетатель 32; регулятор 33 для изменения величины подачи воздуха от нагнетателя; золотник 36; выпускные окна 37 золотника; приводной вал 20 золотника; шкив 29 зубчатый или шестерня вала 20; форсунку 7 высокого или низкого 35 давления для впрыска топлива непосредственно в цилиндр; свечу 34 зажигания. На фиг.8 - рабочий цилиндр 2; стенка 5, разделяющая смежные цилиндры; верхнее отверстие (окно) 6 в стенке 5, соединяющее цилиндры; дополнительная форсунка 8 для впрыска небольшого количества топлива с целью образования бедной смеси в цилиндре 2 или для подачи в цилиндр парообразующей жидкости. На фиг.9 - продувочная камера 38; впускное окно 39 камеры 38; золотник 36; окна 37 золотника; верхние продувочные окна 45 цилиндра; продувочный нагнетатель 40. На фиг.10 - нижнее продувочное окно 13 в стенке 5. На фиг.11 - цилиндр 21 компрессора; поршень 22 цилиндра 21; свеча 34 зажигания; впускные окна 25 компрессора; выпускные окна 41 компрессора; камера впуска 30 компрессора; впускное окно 31 камеры 30; камера впуска 42 высокого давления; впускные окна 43 золотника 36. На фиг.12 - цилиндр 46 двухстороннего действия; поршень 47 цилиндра 46; полость 48 над поршнем 47; полость 49 компрессора под поршнем 47; коллектор впуска 50 компрессора; клапан 51 всасывающий самодействующий; клапан 52 нагнетательный самодействующий; коллектор 53 нагнетания компрессора; канал 54 перепуска газа от компрессора в камеру высокого давления; шток 55 для соединения поршня 47 с механизмом преобразования движения. На фиг.13 - цилиндр 21 компрессорный первого ряда (двигатель двухрядный); поршень 22 цилиндра 21, соединенный при помощи дополнительного штока 56 с поршнем 47.
Двигатель может быть дизельным или с принудительным зажиганием. Принцип работы дизельного двигателя с одним рабочим цилиндром, изображенного на фиг.7, заключается в следующем. У одноцилиндрового двигателя впускные окна 44 расположены в верхней части цилиндра. В камере впуска 14 установлен связанный по вращению с валом двигателя цилиндрический золотник 36 с окнами 37. При положении поршня 3 в НМТ заканчивается рабочий ход. При таком его положении полностью открыты выпускные окна 12 цилиндра и заканчивается выпуск из него выхлопных газов. При этом впускные окна 44 еще могут быть закрыты золотником 36. Они начинают открываться при начале движения поршня в направлении к ВМТ. Открытие окон 44 происходит в результате их совмещения с окнами 37 золотника 36. В момент начала открытия впускных окон 44 и начала закрытия выпускных окон 12 идет продувка цилиндра от остаточных выхлопных газов, которая может вестись чистым воздухом, поступающим от нагнетателя 32, пока поршень 3 не закроет выпускные окна 12. После закрытия выпускных окон 12 впускные окна 44 еще остаются открытыми и продолжается заполнение цилиндра. Если нагнетатель 32 создает избыточное давление выше атмосферного, то это же давление газа будет и в цилиндре, что позволяет увеличить его коэффициент наполнения и, соответственно, увеличить мощность двигателя. Впускные окна 44 цилиндра открываются и закрываются при вращении золотника 36, у которого выпускные окна на его цилиндрической поверхности периодически в соответствии с заданной фазой газораспределения совмещаются с впускными окнами 44 цилиндра. Заданная фаза газораспределения определяется положением выпускных окон 37 по углу поворота вала на цилиндрической поверхности золотника. После закрытия впускных окон 44 и выпускных окон 12 поршень 3 продолжает движение к ВМТ, и начинается процесс сжатия газа в цилиндре. При подходе поршня к ВМТ происходит впрыск топлива с помощью форсунки 7 высокого давления. В результате сжатия поднимается температура газа и происходит самовоспламенение топливовоздушной смеси. Газ расширяется, давление в цилиндре растет и начинается рабочий ход поршня, пока не начнут открываться выпускные окна 12. Затем циклы работы дизельного двигателя повторяются.
Принцип работы бензинового двигателя, изображенного на фиг.7, с принудительным зажиганием, в части фаз выпуска газа, продувки и заполнения цилиндра, такой же, как у дизельного двигателя. Отличие заключается в том, что после закрытия поршнем 3 окон 12 происходит впрыск топлива непосредственно в цилиндр через дополнительную форсунку 8 низкого давления. При подходе поршня к ВМТ срабатывает свеча зажигания 34, которая поджигает топливовоздушную смесь, и начинается рабочий ход поршня 3. Затем циклы работы бензинового двигателя повторяются. Использование золотника на впуске позволяет развить проходное сечение впускных окон, а следовательно, улучшить продувку и заполнение цилиндра.
Двигатель, изображенный на фиг.8, может быть дизельным или с принудительным зажиганием.
Принцип работы двухтактного дизельного двигателя, изображенного на фиг.8, заключается в следующем. У двух рабочих цилиндров 1 и 2 общая камера сгорания, а их поршни 3 работают синхронно и движутся в одном направлении. Процессы выпуска сгоревших газов, продувка цилиндров, сжатие и рабочий ход такие же, как у двигателя, изображенного на фиг.7. Отличие дизельного двигателя, имеющего два соединенных между собой цилиндра, заключается в том, что при подходе поршней к ВМТ верхняя их часть перекрывает отверстие 6, и цилиндры изолируются друг от друга. В цилиндре 1 с помощью форсунки 7 высокого давления происходит впрыск топлива, которое подается в количестве, достаточном для его самовоспламенения. В цилиндре 2 через форсунку 8 подается топливо в небольшом количестве для образования бедной несамовоспламеняемой смеси, например в соотношении один к пятидесяти и более. После самовоспламенения смеси в цилиндре 1 давление и температура газа в нем растут, и поршни обоих цилиндров начинают движение к НМТ. При открытии поршнями отверстия 6 газ, имеющий большое давление и температуру, врывается в цилиндр 2 и поджигает бедную смесь. Давление в цилиндрах выравнивается и продолжается рабочий ход поршней до начала открытия выпускных окон 12. Затем циклы работы двигателя повторяются. Цилиндр 2 может не иметь форсунки 8, и в него не будет подаваться топливо. Тогда, при открытии окна 6, часть газа из цилиндра 1 переходит в цилиндр 2 и давление в них выравнивается. В этом случае сгорание газа происходит более полное с избытком кислорода и снижается давление выхлопных газов, что позволяет уменьшить потерю кинетической энергии расширяющегося газа. Следовательно, повышается экономичность двигателя и повышается чистота выхлопных газов. Лучшие известные дизельные двигатели могут работать при соотношении топливовоздушной смеси не более чем один к пятидесяти, т.к. увеличение частей воздуха не позволяет зажечь топливную смесь. В описанном варианте двигателя составная часть воздуха может быть увеличена, т.к. поджигание топлива в цилиндре 1 происходит при нормальном соотношении частей топливовоздушной смеси, а расширение газа идет в двух цилиндрах. В цилиндр 2 через форсунку 8 при положении поршней в ВМТ вместо топлива может впрыскиваться парообразующая жидкость, т.к. при закрытом окне 6 она не будет мешать процессу воспламенения топлива в цилиндре 1. При открытии окна 6 и попадании горячего газа из цилиндра 1 в цилиндр 2 произойдет парообразование жидкости, что дополнительно поднимет давление в цилиндрах.
Эффект увеличения экономичности двигателя за счет подачи воды в рабочий цилиндр известен, но в известных вариантах подача воды ведется одновременно с подачей в цилиндры топлива, что снижает температуру сжатия газа, а поэтому мешает процессу загорания топлива. В известные дизельные двигатели вода не подается, т.к. снижение температуры сжатия не позволит зажечь топливо. Двигатель, изображенный на фиг.8, может быть также с принудительным зажиганием. В этом случае подача топлива в цилиндры ведется через форсунку низкого давления 35 в начале сжатия после закрытия выпускных окон 12. В двигателе с принудительным зажиганием, когда топливо подается в цилиндр в начале сжатия, будет отсутствовать эффект сжигания бедной смеси описанным способом. Бедная смесь, но в меньшем соотношении топлива и воздуха в бензиновом двигателе может сжигаться, если использовать известный эффект форкамеры. В двигателе с принудительным зажиганием возможен эффект от подачи в один из цилиндров при закрытом окне 6 парообразующей жидкости, которая не будет мешать процессу загорания топлива в другом цилиндре, а следовательно, в цилиндр можно подать большее количество жидкости, чем в известных вариантах двигателя, которые используют подачу воды в цилиндры с целью повышения экономичности двигателя.
Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.9, заключается в следующем. В верхней части цилиндра размещены две изолированные друг от друга камеры 14 и 38. Камера 38 низкого давления является только продувочной, а камера впуска 14 высокого давления служит для заполнения цилиндра после закрытия выпускных окон 12. При подходе поршня к НМТ сначала открываются выпускные окна 12 и через них выхлопные газы выходят в атмосферу. Давление в цилиндре снижается до атмосферного давления. Затем при открытых окнах 12 при повороте золотника 36 происходит совмещение окон 37 золотника и окон 44 и 45 цилиндра. Продувочные окна 45 открываются и воздух от продувочного нагнетателя 40 с полным напором без дросселирования поступает в цилиндр и вытесняет из него остатки сгоревших газов. Эффективность продувки будет тем выше, чем больше будет производительность нагнетателя и создаваемый им напор, т.к. в этом случае при продувке через цилиндр пройдет большее количество воздуха. В момент, когда выпускные окна 12 перекрываются поршнем, продувочные окна 45 закрываются и продувка цилиндра заканчивается.
После закрытия выпускных окон 12 и продувочных окон 45 при повороте золотника 36 камеры впуска 14 высокого давления происходит совмещение окон 37 золотника с впускными окнами 44 цилиндра. Впускные окна 44 открываются, и газ от нагнетателя 32 начинает заполнять цилиндр и поднимает в нем давление до уровня выше, чем было давление в цилиндре при его продувке при открытых выпускных окнах 12. Количество поступающего в цилиндр газа может регулироваться с использованием регулятора 33, который может быть выполнен в виде дроссельной заслонки. Изменение величины наполнения цилиндра позволяет изменять режим работы двигателя по оборотам и мощности. Двигатель может быть дизельным с самовоспламенением топливной смеси в результате сжатия или с принудительным зажиганием. В первом случае топливо впрыскивается в цилиндр в конце сжатия через форсунку высокого давления. Во втором случае топливо впрыскивается в цилиндр после закрытия выпускных 12 и продувочных окон 45 через форсунку 35 низкого давления. Возможен вариант впрыска топлива во всасывающий коллектор в момент заполнения цилиндра через впускные окна 44. Наличие двух нагнетателей 32 и 40, подающих газ в цилиндр поочередно, позволяет использовать для продувки нагнетатель с большей производительностью и меньшим напором, а для заполнения цилиндра после продувки использовать нагнетатель с меньшей производительностью, но с большим напором для создания в цилиндре в конце его заполнения давления выше атмосферного. Такая схема работы двухтактного двигателя позволяет исключить потери топлива при продувке и заполнении цилиндра и обеспечить высокую степень очистки цилиндра в конце рабочего хода от остаточных выхлопных газов, а следовательно, позволяет повысить экономичность и экологическую чистоту двигателя.
Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.10, заключается в следующем. Двигатель может быть дизельным или с принудительным зажиганием. Двигатель имеет два рабочих цилиндра 1 и 2, которые сообщаются между собой через отверстие 6 и имеют общую камеру сгорания, а их поршни 3 движутся синхронно, обеспечивая одинаковые фазы работы цилиндров. Двигатель имеет на два цилиндра одну продувочную камеру 38 низкого давления и одну камеру впуска 14 высокого давления, которые имеют золотники 36. При подходе поршней к НМТ заканчивается их рабочий ход и открываются выпускные окна 12, которые могут быть у одного или у каждого цилиндра. После окончания свободного выпуска выхлопных газов через открытые окна 12 последние остаются еще открытыми и открываются продувочные окна 45. Поступающий в цилиндры от нагнетателя 32 без дросселирования воздух вытесняет остатки сгоревшего газа. При этом воздух в цилиндре 1 от продувочных окон 45 напрямую поступает к выпускным окнам 12. В цилиндр 2 от продувочных окон 45 газ поступает через отверстия 6 и 13 и затем через выпускные окна 12 цилиндра 2 выходит в атмосферу. После закрытия окон 12 и 45 продувка заканчивается, затем открываются впускные окна 44 и газ от нагнетателя 32 начинает поступать последовательно в цилиндры 2 и 1. При этом в цилиндр 1 газ из цилиндра 2 поступает через окна 6 и 13. Т.к. выпускные окна 12 закрыты, давление в цилиндрах может подняться выше атмосферного давления за счет давления, которое может создать нагнетатель 32. Количество поступающего в цилиндры газа может изменяться с помощью регулятора производительности 33 путем дросселирования газа во всасывающей линии, а следовательно, можно менять режим работы двигателя по мощности и скорости его вращения. Наличие у двигателя двух цилиндров и соединяющего их отверстия 6, которое выполнено в верхней части цилиндра и перекрывается верхней частью поршня при его подходе к верхней мертвой точке, позволяет в дизельном варианте сжигать бедную смесь так, как это описано в первом варианте. Возможность сжигания бедной смеси позволяет дополнительно повысить экономичность двигателя.
Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.11, заключается в следующем. Двигатель имеет рабочий цилиндр 1 и компрессорный цилиндр 21, у которых поршни 3 и 22 работают в противофазе. В верхней части рабочего цилиндра 1 имеется продувочная камера 38 низкого давления и камера впуска 42 высокого давления. Компрессорный цилиндр 21 имеет камеру впуска 30 и сообщен с камерой впуска 42 высокого давления.
Двигатель может быть дизельным или с искровым зажиганием. В дизельном варианте двигатель имеет форсунку высокого давления 7, а в двигателе с искровым зажиганием используется форсунка низкого давления 35 и свеча зажигания. Форсунка низкого давления 35 установлена в канале, соединяющем камеру впуска 42 высокого давления с цилиндром 1. При положении поршня 3 в НМТ, а поршня 22 в ВМТ идет продувка цилиндра 1 от сгоревших газов. При продувке окна 12 и окна 45 открыты и газ от нагнетателя 32 без дросселирования (без газодинамического сопротивления), а значит с полным напором и в максимальном количестве, которое может создать нагнетатель, проходит через цилиндр 1 и очищает его от сгоревших газов. При продувке окна 44 закрыты и топливо в цилиндр не поступает. Продувка происходит, пока поршень 3 не закроет выпускные окна 12. После закрытия окон 12 окна 45 еще могут быть открыты, и в цилиндр продолжает поступать газ от нагнетателя 32. В результате, в цилиндре 1 вырастает давление выше атмосферного до уровня давления, которое может создать нагнетатель 32, т.к. идет заполнение замкнутого объема. При положении поршня 22 в ВМТ в компрессорном цилиндре 21 закончился процесс сжатия газа. Окна 41 открываются, и газ поступает в камеру 42 при закрытых окнах 44. В камере 42 создается давление, равное давлению, которое в конце сжатия устанавливается в цилиндре компрессора. Давление в камере 42 остается на расчетном уровне, пока не откроются окна 44, которые открываются после закрытия окон 12 и 45. При открытии окон 44 газ под давлением из камеры 42 поступает в рабочий цилиндр 1 и дополнительно поднимает в нем давление. При начале движения поршня 22 к НМТ окна 41 закрываются, а окна 25 открываются и в компрессорном цилиндре 21 начинается процесс всасывания с поступлением газа от нагнетателя 32. На всем ходе поршня 22 от ВМТ к НМТ окна 25 остаются открытыми. В результате при подходе поршня 22 к НМТ в цилиндре 21 создается давление, равное давлению, которое может создать нагнетатель 32, т.е. увеличивается производительность компрессорного цилиндра 21. После закрытия окон 12, 45 и 44 поршень 3 продолжает движение к ВМТ и в рабочем цилиндре 1 начинается процесс сжатия газа. При подходе поршня 3 к ВМТ срабатывает форсунка 7 высокого давления (дизельный вариант) или свеча зажигания. Происходит воспламенение газа, давление в цилиндре 1 резко возрастает и начинается рабочий ход поршня 3, пока не откроются выпускные окна 12, через которые газ выходит в атмосферу. В варианте двигателя с принудительным зажиганием при открытии окон 44 срабатывает форсунка низкого давления 35, которая установлена в канале, соединяющем камеру впуска высокого давления 42 с рабочим цилиндром 1. При открытии окон 44 сжатый газ из камеры 42 под давлением поступает в цилиндр 1 и на своем пути, проходя через канал, дополнительно распыляет топливо, которое поступает через форсунку 35, что улучшает смесеобразование топлива с воздухом и ведет к его более полному сгоранию и повышению экономичности двигателя. При такой схеме двигателя весовой коэффициент заполнения рабочего цилиндра может быть увеличен в два и более раз, а следовательно, в этом же соотношении возрастет литровая мощность двигателя. Двигатель не имеет подъемных клапанов и неуравновешенных инерционных масс, а, следовательно, может быть увеличена скорость вращения двигателя и его удельная мощность.
Принцип работы двигателя, изображенного на фиг.12 и 13, заключается в следующем. Двигатель имеет цилиндр двухстороннего действия 46, у которого с одной стороны поршня 47, обращенной к механизму движения поршня, образована полость 49 компрессора, а с другой стороны поршня 46 образована полость 48 двигателя. В верхней части цилиндра 46 над полостью двигателя 48 имеется продувочная камера 38 впуска низкого давления и камера впуска 42 высокого давления, которая с помощью перепускного канала 54 соединена с полостью 49 компрессора. Камера 38 и коллектор впуска 50 компрессора соединены с нагнетателем 32. Цилиндр компрессора имеет самодействующие клапаны всасывающие 51 и нагнетательные 52.
На фиг.13 показан двухрядный двигатель, у которого над компрессорным цилиндром 21 одностороннего действия первого ряда установлен цилиндр 46 двухстороннего действия второго ряда. Поршни 47 и 22 соединены между собой штоком 56. Цилиндр 21 имеет всасывающие клапаны 51 и нагнетательные клапаны 52. Компрессорные цилиндры первого и второго ряда имеют общий коллектор всасывания 50 и общий коллектор нагнетания 53.
Двигатель может быть дизельным или с принудительным зажиганием. В дизельном варианте двигатель имеет форсунку высокого давления 7. Двигатель с принудительным зажиганием имеет форсунку низкого давления 35, которая установлена в канале, соединяющем камеру впуска высокого давления 42 с рабочей полостью 48 двигателя.
Работа двигателя с цилиндром двухстороннего действия (фиг.12) заключается в следующем. При положении поршня 47 в НМТ закончился его рабочий ход и идет продувка полости 48 при открытых окнах 45 и 12. Когда поршень 47 пошел к ВМТ, сначала закрываются окна 12, а затем окна 45 и начинается процесс сжатия в цилиндре двигателя. В это же время в компрессорном цилиндре начинается процесс всасывания, при котором открываются всасывающие клапаны 51, и газ от нагнетателя 32 начинает поступать в полость 49 компрессора. При подходе поршня 47 к ВМТ срабатывает форсунка 7 высокого давления (дизельный вариант) или свеча при искровом зажигании. Топливная смесь воспламеняется, давление в цилиндре двигателя растет и начинается рабочий ход поршня 47 к НМТ, пока не откроются выпускные окна 12. При движении поршня к НМТ в полости 49 компрессорного цилиндра идет процесс сжатия. Открываются нагнетательные клапаны и газ поступает в коллектор нагнетания 53. Затем по перепускному каналу 54 поступает в камеру 42 впуска высокого давления. Сжатие газа в компрессорном цилиндре заканчивается при подходе поршня к НМТ и нагнетательные клапаны закрываются. В камере 42 высокого давления устанавливается расчетное давление. При движении поршня к ВМТ сначала закрываются окна 12, затем окна 45. В рабочем цилиндре двигателя устанавливается давление выше атмосферного. После закрытия окон 45 открываются окна 44 и газ из камеры впуска высокого давления 42 поступает под давлением в полость 48 цилиндра двигателя и дополнительно поднимает в ней давление. В результате увеличивается коэффициент весового наполнения цилиндра двигателя. В двигателе с искровым зажиганием при открытии окон 44 срабатывает форсунка 35 низкого давления, установленная в канале, соединяющем камеру впуска 42 с рабочим цилиндром. Большая скорость потока газа в канале позволяет улучшить процесс смесеобразования топлива и воздуха, что позволяет улучшить процесс сгорания и повысить экономичность двигателя. Поршень 47 продолжает движение к ВМТ и в цилиндре двигателя происходит процесс сжатия. Далее фазы работы двигателя и компрессора повторяются.
Работа двухрядного двигателя на фиг.13 отличается тем, что на коллектор нагнетания 53 одновременно работают два компрессорных цилиндра. В результате увеличивается давление в камере впуска высокого давления 42 и еще больше увеличивается коэффициент весового заполнения цилиндра двигателя, что позволяет дополнительно повысить его литровую мощность. По сравнению с ближайшим прототипом двухрядным двигателем Скрипова по патенту РФ (3), который также имеет один рабочий цилиндр и два компрессорных цилиндра, весовое наполнение цилиндра предложенного двигателя увеличивается в два и более раз, т.к. заполнение цилиндра ведется при закрытых выпускных окнах 12.
Двигатель, изображенный на фиг.14, имеет цилиндр двухстороннего действия 46, у которого с двух сторон поршня образованы рабочие полости двигателя 48, каждая из которых имеет свою камеру впуска 14. В камерах впуска 14 ось 20 вращения золотников 36 расположена вдоль оси цилиндров.
Принцип работы двигателя на фиг.14 такой же, как принцип работы двигателя на фиг.7. Отличие заключается в том, что за один оборот вала поршень 47 совершает два рабочих хода.
Двигатель, изображенный на фиг.15, является двухрядным и у него цилиндр двухстороннего действия расположен над цилиндром одностороннего действия, а поршни 47 первого и второго ряда связаны между собой штоком 56. Смежные полости цилиндра первого и второго ряда имеют общую камеру впуска.
Двухрядный двигатель имеет два поршня, связанных с одним кривошипом, и три одинаковые по принципу работы рабочие полости 48. В результате у него за один оборот вала происходит три рабочих хода поршня, что позволяет резко снизить удельную массу двигателя на единицу мощности.
Четвертый вариант выполнения двигателя, описанного в пункте 14 формулы изобретения, поясняется на фиг.16 и содержит рабочие цилиндры 1 и 2 соответственно с поршнями 3 и 4; впускные окна 44 цилиндров; верхние выпускные окна 57 цилиндров; камеру впуска 14; камеру выпуска 15; впускное окно 16 камеры 14; выпускное окно 17 камеры 15; золотник 36; приводной вал 20 золотников; шкив 29 вала 20; окна 37 золотника; канал 58, соединяющий камеру впуска 14 с впускным окном 44 цилиндра 2; канал 59, соединяющий выпускное окно 57 цилиндра 2 с камерой выпуска 15; канал 60, соединяющий выпускное окно 57 цилиндра 1 с камерой выпуска 15; канал 61, соединяющий камеры впуска 14 с впускным окном 44 цилиндра 1; свечу 34 зажигания или форсунку 7; нагнетатель 32.
Двигатель содержит два рядом стоящих независимых друг от друга рабочих цилиндра, каждый из которых имеет свои впускные и выпускные окна, а их поршни совершают движение в различном направлении, например, работают в противофазе по отношению друг к другу. При таком расположении цилиндров появляется возможность иметь на два цилиндра одну камеру впуска и одну камеру выпуска. Двигатель может быть многоцилиндровым с четным количеством цилиндров, из которых каждые два рядом стоящих цилиндра имеют поршни, совершающие, например, движение во встречном направлении.
Принцип работы такого многоцилиндрового двигателя не будет отличаться от двигателя, имеющего два рядом стоящих цилиндра. А поэтому принцип работы многоцилиндрового двигателя достаточно рассмотреть на примере двигателя, имеющего два рядом стоящих цилиндра.
Каждый поршень связан со своим кривошипом. За счет смещения кривошипов поршней 3 и 4 по отношению друг к другу на 180° по углу поворота вала поршни совершают встречное движение и работают в противофазе по отношению друг к другу. Цилиндры работают независимо друг от друга, и каждый из них имеет свою свечу зажигания 34 или форсунку для подачи топлива 7. Над цилиндром 2 расположена камера впуска 14, а над цилиндром 1 камера выпуска 15. Камеры 14 и 15 изолированы друг от друга. Золотники 36, установленные в камерах, имеют привод по вращению от вала 20, который с помощью шкива 29 связан по вращению с валом двигателя.
Конструкция двухтактного двигателя отличается от конструкции четырехтактного двигателя только расположением окон на цилиндрической поверхности золотников по углу поворота вала, которое определяет фазы работы двухтактного и четырехтактного двигателя. Двигатель может быть дизельным с самовоспламенением топливной смеси или с принудительным зажиганием.
На фиг.16 зафиксирован момент, когда поршень цилиндра 1 находится в НМТ, а поршень цилиндра 2 находится в ВМТ. Принцип работы двухтактного двигателя по варианту п.4 формулы изобретения заключается в следующем.
При положении поршня 3 в НМТ видно, что закончился рабочий ход, и выхлопные газы из цилиндра 1 через выпускное окно 57, перепускной канал 60, камеру выпуска 15, а затем через выпускное окно 17 поступают в атмосферу. При этом впускные окна 44 цилиндра 1 еще остаются закрытыми. После свободного выпуска выхлопных газов из цилиндра 1, когда еще выпускные окна 57 остаются открытыми, открываются впускные окна 44 и начинается продувка цилиндра 1. При продувке воздух от нагнетателя 32 проходит через окно 16, камеру впуска 14, канал 61 и окно 44 поступает в цилиндр 1 и выталкивает остатки выхлопных газов в атмосферу. Если впускные окна 44 цилиндра 1 будут закрываться после закрытия выпускных окон 57, заполнение цилиндра 1 будет происходить с избыточным давлением, какое может создать нагнетатель 32. Затем, когда поршень 3 пошел к ВМТ, при повороте золотников 36 каналы 60 и 61 перекрываются. В цилиндре 1 происходит сжатие газа, а в цилиндре 2, после загорания смеси, давление растет, поршень 4 начинает свой рабочий ход и движется к НМТ. После подхода поршня 4 к НМТ начинается продувка и заполнение цилиндра 2 через канал 58 так же, как это происходило в цилиндре 1, т.е. циклы работы цилиндров 1 и 2 чередуются через 180° угла поворота вала.
На фиг.16 показан цикл работы двухтактного двигателя, но конструктивно, при соответствующем расположении окон на цилиндрической поверхности золотников, может быть осуществлен принцип работы четырехтактного двигателя, у которого четыре такта - всасывание, сжатие, рабочий ход и выталкивание сгоревших газов происходят за два оборота вала. Поэтому золотники за два оборота вала двигателя должны делать один поворот на 360°. Соответственно чередование циклов левого и правого цилиндров у четырехтактного двигателя будет происходить через 360° угла поворота вала. При дизельном варианте происходит самовоспламенение топливной смеси в результате сжатия газа. В другом случае топливная смесь поджигается от свечи зажигания.
Предложенная конструкция двухтактного и четырехтактного двигателя, имеющего смежные цилиндры, по сравнению с известными вариантами позволяет в два раза сократить количество золотников и камер, что создает условия для увеличения проходного сечения впускных и выпускных окон цилиндров, а следовательно, позволяет повысить экономичность и удельную мощность двигателя. Упрощается конструкция золотникового газораспределения.
В качестве ближайшего прототипа для двигателя по варианту 5 может быть принята новая модель автомобильного двухтактного двигателя "Chrysler Phase III 1,5L L3", рассмотренная в статье (5). Такой двигатель, как и двигатель предлагаемой конструкции, имеет маслозаполненный картер механизма движения, традиционные подшипники скольжения, внешний источник продувки и надува и клапанный газораспределительный механизм (ГРМ).
К недостаткам двигателя прототипа можно отнести:
- невозможность обеспечения высокой экономичности, т.к. в двигателях с искровым зажиганием отсутствуют условия для сжигания в цилиндрах сверхбедной смеси топлива и воздуха;
- расход энергии двигателя на сжатие газа в цилиндрах;
- отсутствие условий для подачи в цилиндры пара или парообразующей жидкости;
- по условиям исключения детонации при сжатии газа требуется вести охлаждение цилиндров и нельзя сжигать различные низкооктановые сорта топлива, т.к. впрыск топлива в цилиндр производится в начале такта сжатия. Отвод тепла от цилиндров ухудшает процесс сгорания топлива и снижает кпд двигателя;
- низкий ресурс работы двигателя из-за неудовлетворительной работы распределительного вала и клапанов, т.к. в двигателе с двухтактным принципом работы очень короткие фазы выпуска и впуска газа, а поэтому кулачки распредвала не могут иметь плавный подъем и имеют жесткие условия работы, т.к. скорость вращения распредвала у двухтактного двигателя в два раза выше, чем у четырехтактного двигателя;
- снижается экономичность двигателя, т.к. выпуск газа из цилиндров происходит при большом давлении, что не позволяет использовать дополнительную энергию газа при расширении и увеличивает уровень шума выхлопных газов;
- расходуется дополнительная энергия на привод внешнего нагнетателя типа "Roots". Нельзя использовать бросовую энергию выхлопных газов для привода турбонагнетателя, как это делается у четырехтактных двигателей, т.к. из-за дополнительного увеличения сопротивления выхлопного тракта снизится эффективность продувки цилиндров;
- требуется сложная настройка впускного и выпускного трактов каждого цилиндра двигателя для улучшения очистки цилиндров методом продувки, что усложняет конструкцию многоцилиндровых двигателей;
- нельзя увеличивать сопротивление выпускного тракта, а поэтому нельзя использовать эффективные глушители шума;
- требуется использование специальных нейтрализаторов для удовлетворения стандартам по выбросам вредных веществ в отработанных газах, т.к. очистка цилиндров методом продувки у известных двухтактных двигателей не обеспечивает полное сгорание топлива и чистоту выхлопных газов;
- нельзя снизить мощность стартера и аккумулятора, т.к. при пуске двигателя расходуется энергия на сжатие газа в цилиндрах.
- нельзя увеличивать степень расширения газа при сгорании с целью снижения давления выхлопных газов, т.к. для этого требуется увеличивать степень сжатия газа, что вызовет детонацию.
Пятый вариант двигателя, описанного в пунктах 15-24, представлен на фиг.17, 18 и 19 и содержит стартовый цилиндр 74, работающий по двухтактному циклу; поршень 75 цилиндра 74; впускные окна 44 цилиндра 74; выпускные окна 12 цилиндра 74; перепускное окно 76 цилиндра 74; обратный (отсечной) 77 клапан; форсунку 7 или 35 (высокого или низкого давления) или форсунку 90 двойного назначения или свечу зажигания 34; штуцер 78 для подвода к форсунке 7 топлива; штуцер 79 для подвода к форсунке 7 сжатого воздуха; дополнительные цилиндры 80 и 81; поршни 82 цилиндров 80 и 81; впускное окно 83 цилиндра 80; выпускное окно 57 цилиндра 80; перепускное окно 76 цилиндра 80; золотник 36; вал 20 привода золотника; камеру впуска 14; впускное окно 16 камеры 14; перепускной канал 84 золотника 36; камеру выпуска 15 цилиндра 80; выпускное окно 17 камеры 15; выпускной коллектор 85; турбонагнетатель 86; впускной коллектор 87 (патрубок); стартовый цилиндр 88 с четырехтактным принципом работы; поршень 89 цилиндра 88;
На фиг.20, 21, 22 и 23 приведены диаграммы фаз работы стартового цилиндра, а также дополнительного цилиндра при его использовании в качестве рабочего цилиндра или цилиндра для снижения давления выхлопных газов в рабочих цилиндрах.
На фиг.20 приведена диаграмма, на которой показаны характерные точки и фазы работы стартового цилиндра 74: 1 - открытие перепускных окон 76; 2 - закрытие перепускных окон 76; 3 - начало открытия выпускных окон 12 (конец рабочего хода поршня 75); 4 - начало открытия впускных окон 44 (начало продувки цилиндра); 5 - закрытие выпускных окон 12 (конец продувки и начало цикла сжатия газа; (6-7) - фаза подачи в цилиндр топлива через форсунку 35 низкого давления или через форсунку 90 двойного назначения; (8-9) - фаза подачи в цилиндр топлива через форсунку высокого давления 7 (дизельный вариант); 9 - зажигание топливной смеси (начало рабочего хода поршня 75); (5-9) - фаза сжатия; (9-3) - фаза рабочего хода поршня 75; (3-4) - фаза свободного выпуска выхлопных газов; (4-5) - фаза продувки цилиндра; (1-3 пунктирная линия) - расширение газа в цилиндре 75 без подачи топлива в дополнительный цилиндр 80; (1-3 непрерывная линия) - расширение газа в цилиндре 75 после загорания топлива в дополнительном цилиндре 80.
На фиг.21 приведена диаграмма, на которой показаны характерные точки и фазы работы дополнительного цилиндра 80 без подачи в него топлива (отключенные форсунки): 1 - открытие впускных окон 83; 2 - закрытие впускных окон 83; 3 - открытие выпускных окон 57 (конец рабочего хода поршня 82); 4 - открытие перепускных окон 76 для перепуска газа в следующий дополнительный цилиндр 81; 5 - закрытие перепускных окон 76; (1-3) - фаза рабочего хода поршня 82; (3-1) - фаза очистки цилиндра 80 за счет выталкивающего хода поршня 82; (4-3 пунктирная линия) - фаза расширения газа в цилиндре 80 после перепуска части газа в следующий дополнительный цилиндр 81.
На фиг.22 приведена диаграмма, на которой показаны характерные точки и фазы работы дополнительного цилиндра 80 при подаче в него топлива (включенные форсунки): 1 - открытие впускных окон 83 и зажигание топлива в цилиндре 80; 2 - закрытие впускных окон 83; 3 - открытие выпускных окон 57 (конец рабочего хода поршня 82); 4 - закрытие выпускных окон 57 (конец фазы очистки цилиндра 80 от выхлопных газов за счет выталкивающего хода поршня); (5-6) - фаза подачи в цилиндр одновременно топлива и сжатого воздуха через форсунку 90 двойного назначения; 7 - открытие перепускных окон 76 для перепуска газа в следующий дополнительный цилиндр 81; (1-3 непрерывная линия) - фаза рабочий ход поршня и расширение газа при зажигании топлива в следующем дополнительном цилиндре 81; (7-3 пунктирная линия) - фаза расширения газа в цилиндре 80 при отключении подачи топлива в следующем дополнительном цилиндре 81.
На фиг.23 приведены диаграммы I и II, на которых показаны характерные точки и фазы работы двух стартовых цилиндров 88 с четырехтактным принципом работы, имеющих смещение циклов по углу поворота вала на 360° (см. фиг.21): 1 - закрытие впускных окон 44 и начало цикла сжатие газа; 2 - зажигание топливной смеси и начало рабочего хода поршня 89; 3 - открытие перепускного окна 77 и сбрасывание давления в дополнительный цилиндр 80 (при сбрасывании давления возможны два варианта: 1 - поджигание топлива в дополнительном цилиндре 80, если в него подается топливо и тогда давление в цилиндрах 88 и 80 выравнивается (непрерывная линия); 2 - в цилиндр 80 топливо не подается, а после сбрасывания давления расширение газа идет в двух цилиндрах при сниженном давлении (пунктирная линия). 4 - закрытие перепускного окна 77; 5 - открытие выпускных окон 57 и начало выпуска сгоревших газов; 6 - закрытие выпускных окон 57 и открытие впускных окон 44; (1-6) - фаза сжатие газа; (2-5)-фаза рабочий ход поршня; (5-6) - фаза очистка цилиндра методом выталкивания остатков сгоревших газов; (6-1) - фаза насосный ход поршня и заполнение цилиндра.
Двигатель может иметь несколько стартовых и несколько дополнительных цилиндров. На фиг.19 изображен двигатель, который имеет один стартовый цилиндр 74 и два дополнительных цилиндра 80 и 81. Двигатель может иметь несколько режимов работы, а именно с подачей или без подачи топлива в дополнительные цилиндры. Для этого двигатель снабжен системой автоматического включения и отключения форсунок дополнительных цилиндров в зависимости от заданного режима работы двигателя по экономичности, уровню шума выхлопных газов и мощности.
При отключении подачи топлива в дополнительные цилиндры целью изобретения является повышение экономичности двигателя за счет более полного использования энергии сжатого газа при расширении и снижении его давления в момент выпуска в атмосферу. Принцип работы двигателя без подачи топлива в дополнительные цилиндры заключается в следующем. Двигатель имеет рабочий цилиндр 74 и один или несколько дополнительных цилиндров 80 и 81, в которые не подается топливо и в них не происходит процесс сгорания топлива. Стартовый цилиндр 74 имеет двухтактный принцип работы и может быть дизельным или с искровым зажиганием. В дизельном варианте цилиндр 57 снабжен форсункой 7 высокого давления. При искровом зажигании рабочий цилиндр снабжен свечой зажигания 34, а также форсункой 35 низкого давления или форсункой 90 двойного назначения. Форсунка 90 двойного назначения подает в цилиндр одновременно топливо и сжатый воздух в оптимальном соотношении в зависимости от режима работы двигателя.
На фиг.17 показана фаза работы двигателя, когда поршень 75 совершает рабочий ход после загорания газа и уже отошел от ВМТ. В этот момент поршень 82 цилидра 80 находится в ВМТ и золотник 36 открывает окна 76 и 83, через которые газ, имеющий большое давление, попадает из цилиндра 74 в цилиндр 80. В результате соединения полостей цилиндров давление в них выравнивается, а давление в цилиндре 74 падает из-за перехода части газа в цилиндр 80. Дальше оба поршня 75 и 82 движутся к НМТ и давление в них остается одинаковым, т.к. окна 76 и 83 продолжают сообщаться друг с другом через перепускной канал 84. Скорость падения давления в цилиндрах 74 и 80 будет больше, чем была бы при расширении газа только в цилиндре 74. Однако работа, совершаемая газом, не снижается, т.к. суммарная площадь двух поршней 75 и 82 в два раза больше, чем площадь одного поршня. При занятии поршнем 82 положения поршня 75 стартового цилиндра, которое зафиксировано на фиг.17, золотник 36 открывает перепускное окно 76 цилиндра 80 и газ из него перетекает во второй дополнительный цилиндр 81. Дополнительно снижается давление в цилиндрах 74 и 80, но газ будет давить уже на три поршня. При подходе поршня 75 к НМТ, а выпускные окна 12 еще не открылись, окна 76 и 83 перекрываются золотником 36 и полости цилиндров 74 и 80 изолируются друг от друга. Поршень 75 открывает окна 12 и происходит выпуск газа из цилиндра 74, но давление газа на выпуске будет снижено, т.к. часть газа осталась в двух цилиндрах 80. Первый цилиндр 80 продолжает движение к НМТ и в нем в результате расширения газа давление еще больше снижается. Затем закрываются перепускные окна 76 цилиндра 80, и он отсекается от второго цилиндра 81. Дальше открываются выпускные окна 57 и газ из первого цилиндра 80 со сниженным давлением выходит в атмосферу, а во втором цилиндре 81 продолжается процесс расширения газа, пока не откроются его выпускные окна. Расширение газа не в одном, а в двух или более цилиндрах позволяет снизить давление выхлопных газов в несколько раз, а следовательно, более полно используется энергия сжатого газа и повышается экономичность двигателя. Дополнительно снижается уровень шума при выпуске сгоревших газов.
При положении поршня 75 в НМТ окна 12 полностью открыты и заканчивается выпуск сгоревших газов из цилиндра 74. В этот момент золотник 36 открывает впускные окна 44 и начинается продувка цилиндра 74 чистым воздухом, который поступает от турбонагнетателя 86. После закрытия окон 12 поршнем 75 продувка заканчивается, но окна 44 остаются еще открытыми и начинается заполнение цилиндра 75 воздухом с наддувом до давления выше атмосферного, которое может создать турбонагнетатель 86. После закрытия окон 44 начинается сжатие газа до момента, когда поршень 75 подойдет к ВМТ. При движении поршня к ВМТ после закрытия выпускных 12 и впускных окон 44 в варианте с искровым зажиганием через форсунку 35 низкого давления подается топливо или через форсунку 90 двойного назначения одновременно подается топливо и сжатый воздух. В последнем случае улучшается смесеобразование топлива и воздуха. В дизельном варианте при подходе поршня 75 к ВМТ в цилиндр 74 подается топливо через форсунку 7 высокого давления. Когда поршень 75 подойдет к ВМТ, происходит зажигание топливной смеси от свечи или происходит воспламенение топлива в результате сжатия (дизельный вариант) и начинается рабочий ход поршня, а затем происходит соединение полостей цилиндров 74 и 80 так, как было описано выше. В дополнительном цилиндре 80 при движении поршня 82 от НМТ к ВМТ окна 57 остаются открытыми и происходит процесс выталкивания поршнем остатков сгоревшего газа так, как это происходит в четырехтактном двигателе. В этом случае сопротивление выхлопного тракта не влияет на очистку цилиндров, а поэтому выхлопные газы от дополнительных цилиндров могут использоваться для привода турбонагнетателя 86 и могут быть направлены в глушитель шума.
Как видно из принципа работы дополнительных цилиндров, в них исключается фаза сжатия газа при движении поршня от НМТ к ВМТ, а поэтому не тратится энергия на сжатие газа до высокого давления и повышается экономичность двигателя. В сумме экономичность двигателя повышается за счет снижения давления выхлопных газов и более полного использования энергии газа при расширении и за счет исключения цикла сжатия газа в цилиндре 80. В дополнительные цилиндры может подаваться пар или парообразующая жидкость. Тогда поршни дополнительных цилиндров под давлением пара могут произвести дополнительную работу.
Диаграмма фаз работы стартового цилиндра приведена на фиг.20, а диаграмма фаз работы дополнительного цилиндра без подачи в него топлива приведена на фиг.21. Как видно из диаграмм, поршень 75 стартового цилиндра в своем движении по углу поворота вала должен опережать поршень 82 дополнительного цилиндра.
При подаче топлива в дополнительные цилиндры 80 и 81 работа двигателя, изображенного на фиг.17, будет заключаться в следующем. Топливо в дополнительные цилиндры подается через форсунку 90 двойного назначения, которая одновременно с топливом подает сжатый воздух. После зажигания топливной смеси в стартовом цилиндре 74 поршень 75, совершая рабочий ход, движется к НМТ. Давление в цилиндре при положении поршня 75 в ВМТ после загорания топлива составляет порядка 7-10 МПа. В момент перепуска, когда поршень отошел от ВМТ, давление в цилиндре будет не ниже 4 МПа. После открытия золотником 36 окон 76 и 83 импульс давления из цилиндра 74 подается в цилиндр 80. Это давление газа и его высокая температура воздействуют на заряд топливной смеси в цилиндре 80 и происходит его поджигание. После поджигания топлива в цилиндре 80 давление в цилиндрах 74 и 80 выравнивается, т.к. окна 76 и 83 еще остаются открытыми и происходит обратный сброс давления из цилиндра 80 в цилиндр 74. Если требуется исключить обратный переток газа в окне 76, может быть установлен самодействующий обратный клапан 77. При движении поршня 82 первого цилиндра 80 к НМТ поршень 82 второго цилиндра 80 движется к ВМТ. При подходе поршня этого цилиндра к ВМТ открывается его перепускное окно 76 и происходит сбрасывание давления из цилиндра 80 во второй дополнительный цилиндр 81, которое в свою очередь зажигает в нем топливо. Дополнительных цилиндров может быть несколько и каждый предыдущий цилиндр будет поджигать топливо в последующем цилиндре. После окончания рабочего хода поршня в дополнительном цилиндре 80 открываются выпускные окна 57 и происходит свободный выпуск сгоревших газов в атмосферу. При движении поршня 82 от НМТ к ВМТ происходит выталкивание из цилиндра остатков сгоревших газов, что позволяет обеспечить высокую степень очистки цилиндра (так же, как у четырехтактных двигателей). После окончания фазы выталкивания газа и закрытия выпускных окон 57 избыточное давление в цилиндре 82 практически отсутствует. При подходе поршня 82 к ВМТ происходит впрыск в цилиндр через форсунку 90 двойного назначения одновременно топлива и сжатого воздуха в оптимальном соотношении в зависимости от заданного режима работы двигателя. Отсутствие давления в цилиндре 82 в момент впрыска топливной смеси позволяет лучше распылить топливо сжатым воздухом. Как видно, в цилиндрах 80 и 81 исключен процесс предварительного сжатия газа перед впрыском и зажиганием топливной смеси. Стартовый цилиндр с двухтактным принципом работы может иметь любую конструкцию. Его фазы работы показаны на фиг.20. Фазы работы дополнительного цилиндра без подачи в него топлива показаны на фиг.21, а с подачей топлива на фиг.22. Метод поджигания топливной смеси при положении поршня в ВМТ за счет сбрасывания давления из смежного цилиндра позволяет сжигать сверх бедную смесь, а также позволяет использовать различные низкооктановые сорта топлива без опасности возникновения детонации топлива при движении поршня к ВМТ, т.к. исключен процесс предварительного сжатия газа. Становится возможным использование специальных детонационных видов топлива, имеющих повышенную силу взрыва.
Например, известны виды стрелкового оружия и ракет, в которых вместо пороха используется жидкое топливо с большим коэффициентом расширения.
Предложенный способ зажигания горючей смеси от давления в смежном цилиндре без предварительного ее сжатия поршнем можно назвать импульсно детонационным. Кроме того, если сохранить заданный объем цилиндра и уменьшить объем камеры сгорания, можно увеличить степень расширения газа после загорания, что дополнительно позволит снизить давление выхлопных газов, а следовательно, позволит более полно использовать энергию газа при расширении. При выталкивании выхлопных газов поршнем не имеет существенного значения сопротивление выхлопного тракта, поэтому бросовая энергия выхлопных газов может быть использована для привода турбонагнетателя 86, что нельзя делать у обычных двухтактных двигателей, т.к. ухудшается продувка цилиндров. После турбонагнетателя выхлопные газы могут быть направлены в эффективный глушитель шума. Перечисленные возможности позволяют устранить значительный недостаток обычных двухтактных двигателей, имеющих высокий уровень шума выхлопных газов. Наибольший эффект снижения уровня шума выхлопных газов будет при отключении форсунок дополнительных цилиндров, когда последние используются только для дополнительного расширения газа и снижения его давления при открытии выпускных окон 57. При этом решается проблема которую имеют известные двигатели, т.к. увеличение степени расширения газа при сгорании за счет уменьшения объема камеры сгорания, а следовательно увеличение экономичности двигателя, достигается без увеличения степени предварительного сжатия газа. Известно, что дизельные двигатели, имеющие большую степень сжатия и расширения газа, экономичнее бензиновых двигателей, имеющих меньшую степень сжатия, но из-за детонации при сжатии у бензиновых двигателей нельзя увеличивать степень сжатия. Отсутствие сжатия и детонации в дополнительных цилиндрах позволяет отказаться от их охлаждения, а повышенный температурный режим их работы позволяет лучше вести подготовку топливной смеси в результате лучшего испарения топлива.
На фиг.18 показан вариант двигателя, который имеет один стартовый цилиндр с двухтактным принципом работы, размещенный между двух дополнительных цилиндров, которые подключены к стартовому цилиндру параллельно. Отличие двигателя на фиг.18 по сравнению с двигателем на фиг.17 заключается в том. что сброс давления из стартового цилиндра происходит одновременно в два дополнительных цилиндра. При этом в зависимости от заданного режима работы двигателя по экономичности уровню шума и мощности дополнительные цилиндры могут работать с включенными или с отключенными форсунками двойного назначения.
На фиг.19 показан вариант двигателя, который имеет два стартовых цилиндра с четырехтактным принципом работы и один дополнительный цилиндр. При этом стартовые цилиндры расположены с двух сторон дополнительного цилиндра. В этом случае стартовые цилиндры работают со смещением своих фаз работы на 360° и поочередно подключаются к дополнительному цилиндру. В результате смещения фаз зажигание в одном из стартовых цилиндров 88 каждый раз происходит в момент подхода поршня 82 дополнительного цилиндра 80 к ВМТ, т.е. два стартовых цилиндра, имеющих четырехтактный принцип работы, поочередно сбрасывают давление в дополнительный цилиндр, который имеет двухтактный принцип работы. В дополнительном цилиндре 80 при включении форсунки двойного назначения 90 и подаче топливной смеси происходит зажигание этой смеси и он работает как рабочий цилиндр. При отключении форсунки 90 дополнительный цилиндр начинает работать в режиме дополнительного расширения газа из стартового цилиндра, что позволяет снизить давление выхлопных газов, соответственно снизить уровень шума на выхлопе и повысить экономичность работы двигателя. В дополнительном цилиндре отсутствует цикл сжатия газа поршнем при движении его от НМТ к ВМТ. Поэтому отсутствуют условия для детонации топлива во время сжатия.
Дополнительный цилиндр может иметь повышенный температурный режим работы и может не охлаждаться. Повышенная температура дополнительного цилиндра в районе камеры сгорания создает лучшие условия для поджигания и сгорания топлива. Отсутствие условий для детонации позволяет сжигать в дополнительном цилиндре различные низкооктановые сорта топлива, что делает дополнительный цилиндр всеядным. Дополнительный цилиндр с целью сжигания в нем низкооктановых сортов топлива может иметь отдельную от стартовых цилиндров свою систему топливоподачи. В дополнительный цилиндр при работе его без подачи топлива может впрыскиваться пар или парообразующая жидкость, что позволяет утилизировать тепловую энергию двигателя и поднять его экономичность. При движении поршня дополнительного цилиндра от НМТ к ВМТ открываются выпускные окна 57, и происходит выпуск отработанного газа или пара в результате действия выталкивающего хода поршня, что обеспечивает высокую степень очистки цилиндра. Сопротивление выпускного тракта не влияет на очистку дополнительного цилиндра, а поэтому выхлопные газы могут использоваться для привода турбонагнетателя 86, который подает воздух под напором к стартовым цилиндрам 88. Выхлопные газы к турбонагнетателю подводятся также и от стартовых цилиндров, имеющих четырехтактный принцип работы. Характерные точки и фазы работы двух стартовых цилиндров с четырехтактным принципом работы, имеющих смещение фаз работы по отношению друг к другу на 360°, приведены на фиг.23, диаграммы I и II. Работа дополнительного цилиндра без подачи и с подачей в него топлива отражена на фиг.21 и фиг.22.
Источники информации
1. Патент РФ №2143077, МПК F 02 B 33/22, опубл. 1999.
2. Патент РФ №2063524, МПК F 02 B 33/22, опубл. 1996.
3. Патент РФ №2066379, МПК F 02 B 33/22, опубл., 1996.
4. Патент РФ №2189458, МПК F 01 L7/08, опубл., 20.09.2002.
5. С.Жуков, Симфония в два такта, “5 колесо”, №3, 1999.
6. А.Воробьев-Обухов, Двухтактный...“Форд”, “За рулем”, №12, 1999.
7. А.Воронцов, “Полный вперед: разделяй и властвуй”, “Мото”, №6, 1999.
8. Л.Голованов, SAAB: новые идеи в двигателестроении, “Авторевю”, №21, 2000.
9. Управляемые фазы газораспределения, CarMarket, 2001.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2243386C2 |
| ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 2002 |
|
RU2243387C2 |
| ПОРШНЕВАЯ МАШИНА (ВАРИАНТЫ) | 2000 |
|
RU2215879C2 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 1998 |
|
RU2143077C1 |
| ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР | 2001 |
|
RU2247250C2 |
| ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР | 1996 |
|
RU2161732C2 |
| ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР | 1996 |
|
RU2156887C2 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1996 |
|
RU2118465C1 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 2001 |
|
RU2206757C2 |
| Способ детонационной работы и крейцкопфный двигатель | 2023 |
|
RU2806929C1 |
Изобретение относится к машиностроению, в частности к двухтактным и четырехтактным двигателям внутреннего сгорания, которые содержат рабочий цилиндр с поршнем, впускные и выпускные окна цилиндра и каналы для подвода и отвода рабочей среды. Техническим результатом является повышение экономичности и надежности двигателя, а также снижение его удельной массы на единицу мощности. Рассмотрены варианты двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что первый вариант двигателя содержит несколько соединенных между собой цилиндров, имеющих общую камеру сгорания и форсунку для впрыска топлива при подходе поршня к верхней мертвой точке. Его смежные цилиндры соединены между собой через отверстие в верхней части стенки, которое перекрывается верхней частью поршня при его подходе к верхней мертвой точке (ВМТ). Двигатель второго варианта содержит рабочий и компрессорный цилиндры, поршни которых работают в противофазе. Продувка рабочего цилиндра ведется от внешнего источника до открытия впускных окон, выполненных в нижней части цилиндра. Двигатель третьего варианта содержит рабочий цилиндр, выпускные окна которого выполнены над поршнем при его положении в НМТ. Впускные окна расположены в верхней части цилиндра и соединены с камерой впуска, в которой установлен золотник с возможностью их закрытия после закрытия поршнем выпускных окон. Двигатель четвертого варианта содержит два параллельных цилиндра, поршни которых совершают движение в различном направлении. Впускные и выпускные окна цилиндров управляются золотником. Дополнительные окна впускной и выпускной камер соединены с помощью каналов с соответствующими окнами смежного цилиндра. Двигатель пятого варианта содержит стартовые цилиндры, соединенные с дополнительными цилиндрами с возможностью перепуска в них продуктов сгорания. 5 н. и 19 з.п.ф-лы, 23 ил.
| СПОСОБ ОСТРОНАПРАВЛЕННОГО ПРИЕМА ЗВУКОВЫХ ВОЛН | 2012 |
|
RU2538031C2 |
| US 4781155 A, 01.11.1988 | |||
| КУХОННЫЙ ПРИБОР С ПЛАНЕТАРНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ | 2010 |
|
RU2513380C2 |
| РАБОЧИЙ ПРОЦЕСС ДВС С СООБЩАЮЩИМИСЯ ЦИЛИНДРАМИ | 1998 |
|
RU2135788C1 |
| Устройство для выхлопа и продувки в двухтактных двигателях внутреннего горения | 1934 |
|
SU44729A1 |
| Способ формирования панкреатической фистулы | 1980 |
|
SU1090353A1 |
| ДВУХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ВАРИАНТЫ) | 1998 |
|
RU2143077C1 |
| RU 2063524 C1, 10.07.1996 | |||
| RU 2066379 C1, 10.09.1996 | |||
| US 5738050 A, 14.02.1998 | |||
| Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания | 1985 |
|
SU1268763A1 |
| СПОСОБ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | 1990 |
|
RU2024773C1 |
