РАБОЧИЙ ЦИКЛ В ДВУХТАКТНОМ ДВС И ДВИГАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК F02B47/04 F02B75/28 

Изобретение относится к области двигателестроения и может быть использовано везде, где используются поршневые ДВС.

В современных поршневых ДВС осуществляют двухтактные и четырехтактные рабочие циклы, в которых избыточную теплоту стенок поршней и цилиндров отводят в атмосферу, т.е. теряют. Эти потери доходят до 38%. Для оптимизации процессов сгорания топлива и уменьшения токсичных выбросов в ряде фирм применяют процессы рециркуляции, т.е. вводят отработанные газы обратно в цилиндр. Кроме того, в тех же целях применяют введение в топливную смесь воды в количестве до 10% от массы топлива. Однако эти новшества имеют ограниченное применение.

Аналогами по способам осуществления рабочего цикла являются: а.с. СССР №767378, F02B 47/08, а.с. СССР №1677356 F02B 47/02, а.с. СССР №648745 F02B 47/02. Что касается устройства двухтактного ДВС, то кинематическим прототипом является отечественный дизель серии Д100. Однако, как показывают расчеты, наши эффективные показатели значительно выше.

Технический результат заключается в полном сгорании топлива, уменьшении количества токсичных веществ в отработанных газах, потерь теплоты через системы охлаждения, потерь мощности на сжатие воздуха наддува, устранении причины, ограничивающей число оборотов ДВС, возможности изменения степени сжатия и коэффициента избытка воздуха в процессе работы ДВС, увеличении КПД.

Технический результат достигается применением нового рабочего цикла, компоновкой агрегатов в ДВС и его кинематической схемы.

Предложен рабочий цикл в двухтактном ДВС, включающий такт расширения, во время которого в цилиндре ДВС осуществляют процессы горения топливной смеси, образование рабочего тела, давлением которого совершают перемещение поршней; охлаждают стенки поршней и цилиндра ДВС; нейтрализуют токсичные вещества, выпускают рабочее тело в виде отработанных газов (ОГ) в выпускной коллектор через выпускные окна, осуществляют сжатие и охлаждение воздуха наддува в цилиндре компрессора; во время такта сжатия в цилиндр ДВС, содержащий регулируемое количество ОГ, вводят воздух наддува, содержащий регулируемое количество воды, и в эту смесь вводят топливо. Во время такта расширения, после окончания процесса горения, в цилиндр ДВС вводят водяной пар, образующийся в испарителе теплотой, отобранной у стенок головок поршней; пар смешивается с рабочим телом, нагревается от него, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает среднюю температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле; затем, до открывания выпускных окон, в цилиндр ДВС вводят свежий воздух, который смешивается с рабочим телом, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле; когда открываются выпускные окна, рабочее тело в виде ОГ перетекает в выпускной коллектор, а количество ОГ, остающихся в цилиндре ДВС, регулируют величиной давления, создаваемого в выпускном коллекторе; в конце такта расширения завершают процесс сжатия и охлаждения воздуха наддува в компрессоре, на что используют силы инерции поршней, рычагов и шатунов; в начале такта сжатия для перемещения поршней используют давление сжатого воздуха наддува; поршни, перемещаясь, сначала вводят внутрь плунжера вспомогательного компрессора порцию нагретой воды, предназначенной для введения ее в воздух наддува, закрывают выпускные окна, после чего, через определенный режимом работы ДВС угол поворота эксцентрикового вала в цилиндр вспомогательного компрессора вводят воздух наддува, который одну порцию находящейся там воды вводит в испаритель, а другую порцию уносит с собой в цилиндр ДВС, где смешивается с ОГ и сжимается; в цилиндры компрессоров наддува и вспомогательного вводят свежий воздух, а в цилиндр вспомогательного компрессора вводят следующую порцию нагретой воды.

Предложен двухтактный ДВС, содержащий цилиндр ДВС с двумя рядами выпускных окон, в котором размещены два кинематически связанных поршня с возможностью их зеркально симметричного перемещения; внутри поршней выполнены цилиндры компрессоров, испарители и направляющие поверхности, поршни снабжены уплотнительными устройствами и связаны с эксцентриковым валом посредством подвижных соединений через шатуны, двуплечие рычаги, которые одним плечом связаны с поршнем, вторым с корпусом ДВС, а средней частью - с шатуном; компрессоры наддува и вспомогательные - с неподвижными плунжерами; внутри плунжера наддува размещен водяной холодильник и плунжер вспомогательного компрессора с клапаном; цилиндры наддува воздуха снабжены клапанам, которые управляемы копирами; выпускной коллектор и герметичный корпус ДВС снабжены самодвижущимися клапанами. Наружные поверхности поршней связаны с одним плечом двуплечих рычагов, второе плечо которых оперто на направляющие, которые имеют возможность управляемого перемещения относительно корпуса ДВС; уплотнительные устройства поршней выполнены из упругой ленты в форме конусообразной архимедовой спирали без зазоров между витками; витки имеют возможность перемещения; в поперечном сечении витка продолжения длинных его сторон пересечены между собой; направляющие поверхности поршней оперты на плунжеры компрессоров наддува и вспомогательного, у которого на опорном конце выполнены пазы, а сам плунжер имеет возможность регулируемого перемещения.

Чертежи, поясняющие изобретение.

На фиг.1 показана компоновка агрегатов и кинематическая схема ДВС. Условно левый поршень показан в ВМТ, а правый в НМТ. В действительности поршни всегда расположены зеркально симметрично.

На фиг.2 показаны сечения по уплотнительному устройству. На левом рисунке уплотнение функционирует аналогично клапану.

Двигатель содержит цилиндр 1, снабженный выпускными окнами, выпускным коллектором 2 и форсункой 3. Внутри цилиндра 1 размещены два поршня 4 с возможностью их зеркального перемещения. Внутри поршней 4 выполнены полости, являющиеся цилиндрами компрессоров. А - компрессоров наддува, Б - вспомогательных компрессоров, а В - полость испарителей. В стенках полостей имеются радиальные отверстия. Полости разделены уплотнительными устройствами 5, 6, 7, 8, которые препятствуют давлению газа только в одном направлении. Наружные поверхности поршней 4 посредством подвижных связей соединены с эксцентриковым валом 9 через двуплечие рычаги 10 и шатуны 11. Двуплечие рычаги 10 снабжены ползунами 12, размещенными в направляющих 13. Внутри поршней 4 смонтированы плунжеры 14 компрессоров наддува, которые крепятся на стенках корпуса 15. Внутри плунжеров 14 имеются полости Г, заполняемые водой через дроссели 16. Через плунжеры 14 пропущены плунжеры 17 вспомогательного компрессора с возможностью его перемещения. Внутри плунжера 17 выполнены сквозные каналы. В полости Г размещен клапан 18, сообщающийся с плунжером 17. На внутреннем конце плунжера 17 выполнены пазы. Полости А снабжены клапанами 19, управляемыми копирами 20 с приводом от шестерни 22. Направляющие 13 перемещаются от шестерни 23.

ДВС работает следующим образом. Во время такта расширения в полости цилиндра 1 происходит сгорание топливной смеси, уже содержащей в себе требуемое количество ОГ. Выделяется тепло, образуется рабочее тело, давлением которого перемещаются поршни 4. Теплотой, отобранной у головок поршней 4, в испарителях В образуется водяной пар. Когда давление пара превысит давление рабочего тела, пар начнет поступать в полость С цилиндра 1 через уплотнительные устройства 8, попутно охлаждая стенки цилиндра 1. Пар, смешиваясь с рабочим телом, нагревается и, превращаясь в перегретый, увеличивает индикаторное давление и нейтрализует токсичные вещества. Одновременно с этим происходит разрежение воздуха внутри корпуса ДВС 15, а в цилиндрах компрессоров наддува А и вспомогательных Б происходит сжатие воздуха. Когда давление воздуха во вспомогательном цилиндре Б превысит давление в полости С цилиндра 1 ДВС, в нее начнет перетекать свежий воздух, который перемешиваясь с рабочим телом, нагревается, увеличивает индикаторное давление и нейтрализует токсичные вещества. Когда откроются выпускные окна, рабочее тело будет перетекать в выпускной коллектор 2 через клапаны 24, но в полости С останутся ОГ, количество которых регулируют величиной давления в коллекторе 2. Одновременно в заканчивают сжатие и охлаждение воздуха наддува в полостях А компрессоров наддува. На работу сжатия используют силы инерции поршней 4, двуплечих рычагов 10 и шатунов 11. В начале такта сжатия для перемещения поршней 4 используют давление воздуха наддува в полости А. Перемещаясь, поршни 4 закрывают выпускные окна и когда уплотнительные устройства 6 пройдут кромки спиралевидных пазов в плунжере 17 вспомогательного компрессора, воздух наддува начнет поступать из полости А в полость Б, а затем через уплотнительные устройства 7, 8 в полость С, где, смешиваясь с ОГ, отбирает теплоту от стенок цилиндр 1. Одновременно с этим воздух наддува проталкивает воду, находящуюся в полости Б, через уплотнения 7 в полость В испарителей. При дальнейшем перемещении поршней 4 происходит рост давления в полости С и внутри корпуса 15, клапаны 25 закрываются. В полостях А и Б давление падает, в них возникает разрежение и туда начинает поступать свежий воздух через уплотнения 5 и клапаны 19. В результате упомянутого разрежения вода из полости Г холодильников через клапаны 18 и каналы в плунжерах 17 поступает в полость Б. Для регулирования величины коэффициента избытка воздуха используют копиры 20, которые управляют клапанами 19. Перемещение копиров 20 осуществляют шестерней 22. Для регулирования величины степени сжатия используют перемещение направляющих 13 с помощью шестерни 23. Уплотнительные устройства действуют подобно самодвижущимся клапанам. Количество воды, поступающей в холодильники, регулируют дросселями 16.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двухтактным двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет уменьшить количество токсичных веществ в отработанных газах и повысить КПД двигателя. Рабочий цикл в двухтактном ДВС, в котором во время такта расширения, после окончания процесса горения, в цилиндр ДВС вводят водяной пар, образующийся в испарителе, теплотой, отобранной у стенок головок поршней. Пар смешивается с рабочим телом, нагревается от него, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает среднюю температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле. До открывания выпускных окон, в цилиндр ДВС вводят свежий воздух, который смешивается с рабочим телом, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле. Когда открываются выпускные окна, рабочее тело в виде ОГ перетекает в выпускной коллектор, а количество ОГ, остающихся в цилиндре ДВС, регулируют величиной давления, создаваемого в выпускном коллекторе. В конце такта расширения завершают процесс сжатия и охлаждения воздуха наддува в компрессоре. В начале такта сжатия для перемещения поршней используют давление сжатого воздуха наддува. Поршни, перемещаясь сначала, вводят внутрь плунжера вспомогательного компрессора порцию нагретой воды, предназначенной для введения ее в воздух наддува, закрывают выпускные окна, после чего, через определенный режимом работы ДВС угол поворота эксцентрикового вала в цилиндр вспомогательного компрессора вводят воздух наддува, который одну порцию находящейся там воды вводит в испаритель, а другую порцию уносит с собой в цилиндр ДВС, где смешивается с ОГ и сжимается. В цилиндры компрессоров наддува и вспомогательного вводят свежий воздух. В цилиндр вспомогательного компрессора вводят следующую порцию нагретой воды. В двухтактном ДВС наружные поверхности поршней связаны с одним плечом двуплечих рычагов, второе плечо которых оперто на направляющие, которые имеют возможность управляемого перемещения относительно корпуса ДВС. Уплотнительные устройства поршней выполнены из упругой ленты в форме конусообразной архимедовой спирали без зазоров между витками. Витки имеют возможность перемещения, в поперечном сечении витка продолжения длинных его сторон пересечены между собой. Направляющие поверхности поршней оперты на плунжеры компрессоров наддува и вспомогательного, у которого на опорном конце выполнены пазы, а сам плунжер имеет возможность регулируемого перемещения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Рабочий цикл в двухтактном ДВС, включающий такт расширения, во время которого в цилиндре ДВС осуществляют процессы горения топливной смеси, образование рабочего тела, давлением которого совершают перемещение поршней, охлаждают стенки поршней и цилиндра ДВС, нейтрализуют токсичные вещества, выпускают рабочее тело в виде отработанных газов (ОГ) в выпускной коллектор через выпускные окна, осуществляют сжатие и охлаждение воздуха наддува в цилиндре компрессора, во время такта сжатия в цилиндр ДВС, содержащий регулируемое количество ОГ, вводят воздух наддува, содержащий регулируемое количество воды, и в эту смесь вводят топливо, отличающийся тем, что во время такта расширения, после окончания процесса горения, в цилиндр ДВС вводят водяной пар, образующийся в испарителе теплотой, отобранной у стенок головок поршней, пар смешивается с рабочим телом, нагревается от него, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает среднюю температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле, затем, до открывания выпускных окон, в цилиндр ДВС вводят свежий воздух, который смешивается с рабочим телом, расширяется, увеличивая индикаторное давление, уменьшает температуру и количество токсичных веществ в рабочем теле, когда открываются выпускные окна, рабочее тело в виде ОГ перетекает в выпускной коллектор, а количество ОГ остающихся в цилиндре ДВС регулируют величиной давления, создаваемого в выпускном коллекторе, в конце такта расширения завершают процесс сжатия и охлаждения воздуха наддува в компрессоре, на что используют силы инерции поршней, рычагов и шатунов, в начале такта сжатия для перемещения поршней используют давление сжатого воздуха наддува, поршни, перемещаясь, сначала вводят во внутрь плунжера вспомогательного компрессора порцию нагретой воды, предназначенной для введения ее в воздух наддува, закрывают выпускные окна, после чего через определенный режимом работы ДВС угол поворота эксцентрикового вала в цилиндр вспомогательного компрессора вводят воздух наддува, который одну порцию находящейся там воды вводит в испаритель, а другую порцию уносит с собой в цилиндр ДВС, где смешивается с ОГ и сжимается, в цилиндры компрессоров наддува и вспомогательного вводят свежий воздух, а в цилиндр вспомогательного компрессора вводят следующую порцию нагретой воды.2. Двухтактный ДВС, содержащий цилиндр ДВС с двумя рядами выпускных окон, в котором размещены два кинематически связанных поршня с возможностью их зеркально симметричного перемещения, внутри поршней выполнены цилиндры компрессоров, испарители и направляющие поверхности, поршни снабжены уплотнительными устройствами и связаны с эксцентриковым валом посредством подвижных соединений через шатуны, двуплечие рычаги, которые одним плечом связаны с поршнем, вторым - с корпусом ДВС, а средней частью - с шатуном, компрессоры наддува и вспомогательные - с неподвижными плунжерами, внутри плунжера наддува размещен водяной холодильник и плунжер вспомогательного компрессора с клапаном, цилиндры наддува воздуха снабжены клапанами, которые управляемы копирами, выпускной коллектор и герметичный корпус ДВС снабжены самодвижущимися клапанами, отличающийся тем, что наружные поверхности поршней связаны с одним плечом двуплечих рычагов, второе плечо которых оперто на направляющие, которые имеют возможность управляемого перемещения относительно корпуса ДВС, уплотнительные устройства поршней выполнены из упругой ленты в форме конусообразной архимедовой спирали без зазоров между витками, витки имеют возможность перемещения, в поперечном сечении витка продолжения длинных его сторон пересечены между собой, направляющие поверхности поршней оперты на плунжеры компрессоров наддува и вспомогательного, у которого на опорном конце выполнены пазы, а сам плунжер имеет возможность регулируемого перемещения.