ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2010 года по МПК F02B1/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к двигателю внутреннего сгорания с искровым зажиганием поршневого типа, в частности к двигателю с циклом сгорания, в котором начало зажигания происходит после верхней мертвой точки.

Уровень техники

Двигатели внутреннего сгорания в широких масштабах разрабатываются в течение последних 200 лет, но общие основные принципы остаются теми же, причем двигатель с количественным регулированием мощности является одним из наиболее популярных типов двигателя внутреннего сгорания. Двигатель с количественным регулированием мощности имеет поршень, сжимающий топливовоздушную смесь в цилиндре, и когда топливовоздушная смесь сжимается в максимальной степени в верхней мертвой точке (точка поворота поршня внутри цилиндра, ВМТ), то электрическая искра зажигает смесь, и воспламенение увеличивает давление в цилиндре и двигает поршень от ВМТ, и развивает усилие, которое можно использовать для приведения в действие процесса или связанного с двигателем объекта, таким как приводные колеса транспортного средства. Установка опережения зажигания нередко соотносится с углом поворота коленчатого вала в градусах по отношению к ВМТ, где 0^о - верхняя мертвая точка, 180° - наиболее дальнее возможное положение поршня относительно ВМТ.

Наиболее распространенное техническое решение для установки опережения зажигания начинается перед тем, как поршень будет в ВМТ, чтобы снизить риск самовоспламенения топлива из-за высокой степени сжатия, возможной в ВМТ, и для обеспечения максимального тормозного момента (МТМ). Эти двигатели нередко имеют переменное положение зажигания по отношению к углу поворота коленчатого вала: положение зажигания при 25° перед ВМТ для большого числа оборотов двигателя, и при приближении к ВМТ при меньшем числе оборотов двигателя. Для этого технического решения требуется комплексное регулирование зажигания.

Для уменьшения износа передающих усилие компонентов в двигателе многоцилиндровый двигатель должен иметь определенную последовательность зажигания по разным цилиндрам, например, шестицилиндровый двигатель часто имеет следующий порядок установки опережения зажигания: 1, 5, 3, 6, 2 и 4, то есть сначала зажигание происходит в цилиндре 1, потом в цилиндре 5 после цилиндра 1, в цилиндре 3 после цилиндра 5 и т.д., пока не будет завершен полный цикл. Эта конструкция двигателя в свою очередь может обусловить более сложную конструкцию двигателей и повысить производственные издержки.

Во многих случаях двигатели работают со степенью сжатия 10:1 для снижения риска самовоспламенения топливной смеси в камере сгорания. Но эмпирическое правило заключается в том, что чем выше степень сжатия, тем выше будет кпд двигателя. Поэтому необходимо определить уравновешенное техническое решение, определяющее рациональную степень сжатия.

Так называемое значение лямбда определяют по измерениям выхлопных газов. Значение лямбда является мерой эффективности сгорания и подчиняется первоначальной степени сжатия; в зависимости от работы двигателя - по этим измерениям получают разные значения, и значение 1 является оптимальным теоретическим значением лямбда при равных количествах кислорода и топлива.

В связи с ранним зажиганием при нормальной работе двигателя некоторые детали подвергаются значительному износу, который может сократить срок службы двигателя. Целесообразно обеспечить момент более позднего зажигания после ВМТ, чтобы уменьшить износ этих деталей двигателя. Но в связи с этим возникает трудность самовоспламенения из-за высокой степени сжатия и более высокой температуры выхлопных газов.

В патенте США 5487362 описан преобразованный дизельный двигатель, работающий на газе и с моментом более позднего зажигания около 4° после ВМТ (ПВМТ). Это решение имеет некоторые недостатки в отношении риска самовоспламенения топливной смеси из-за высокой степени сжатия, повреждения цилиндра в связи с самовоспламенением и/или высоких температур сгорания. Двигатель согласно данному решению может работать только на газе (жидком пропане) в качестве топлива.

Раскрытие изобретения

Цель изобретения заключается в решении некоторых упомянутых проблем и в создании эффективного двигателя, работающего на многих типах топлива и для которого требуются небольшие изменения для перехода работы на другие виды топлива.

Эта цель достается с помощью двигателя с доработанной конструкцией камеры сгорания для снижения риска самовоспламенения, снижения температуры и последствий высокой степени сжатия.

Согласно первому варианту настоящего изобретения предложен двигатель внутреннего сгорания поршневого типа, работающий на смеси горючего топлива и воздуха, содержащий:

по меньшей мере одну камеру сгорания и поршень, установленный с возможностью перемещения в камере сгорания для обеспечения максимальной степени сжатия в пределах от 15:1 до 25:1;

впуск, расположенный в камере сгорания для приема топливовоздушной смеси в камеру сгорания; и

устройство зажигания, обеспечивающее искру с напряжением более 25 кВ, установленное в камере сгорания для воспламенения топливовоздушной смеси, поступившей в камеру сгорания при значениях угла поворота коленчатого вала от 0 до 15 градусов после ПВМТ поршня в камере сгорания;

при этом камера сгорания и поршень выполнены с возможностью снижения риска образования участков местного перегрева, а двигатель выполнен с возможностью обеспечения скорости сгорания, при которой 90% топлива сгорает при значениях угла поворота коленчатого вала от 15° до 40°.

Степень сжатия предпочтительно составляет от 17:1 до 20:1, и более предпочтительно 17,5:1-18,5:1.

Угол поворота коленчатого вала предпочтительно составляет от 0° до 5°, а наиболее предпочтительно 2° после ПВМТ.

По существу, все края элементов в камере сгорания скруглены с радиусом, по меньшей мере равным 0,5 мм. Радиус краев приблизительно равен 2 мм.

Устройство зажигания содержит свечу зажигания, имеющую, по существу, гладкую поверхность между входом свечи зажигания в камере сгорания и блоком генерирования искры на свече зажигания.

Края на поршне скруглены с радиусом, по меньшей мере равным 0,5 мм.

Двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит устройство управления со средствами регулирования соотношения компонентов топливовоздушной смеси, а также кислородный датчик, такой как лямбда-датчик, расположенный после камеры сгорания в канале выпуска выхлопных газов, причем упомянутое устройство управления выполнено с возможностью считывания сигнала от кислородного датчика и использования его для определения соотношения компонентов топливовоздушной смеси.

Устройство управления выполнено с возможностью регулирования положения регулирующего элемента, управляющего соотношением компонентов топливовоздушной смеси.

Устройство управления можно выполнить с возможностью поддерживания значения лямбда около 1.

Угловое положение зажигания коленчатого вала можно поддерживать фиксированным в течение работы двигателя.

Угол поворота коленчатого вала можно регулировать в пределах от 10 градусов ПВМТ до 0 градусов ПВМТ, в зависимости от отбираемой мощности и/или числа оборотов.

Устройство зажигания может содержать свечу зажигания, работающую от напряжения свыше 25 кВ и даже свыше 30 кВ.

Двигатель внутреннего сгорания может дополнительно содержать турбонагнетатель, обеспечивающий максимальное давление турбонаддува, равное 0,8 бар, и предпочтительно 0,4 бар.

Топливо может быть по меньшей мере одним из: бензина, спирта (газолина) (такого как метанол или этанол), жидкого пропана, природного газа, биогаза и бытового газа.

Двигатель внутреннего сгорания может дополнительно содержать средства регулирования момента зажигания по отношению к углу поворота коленчатого вала.

Двигатель внутреннего сгорания может быть дополнительно выполнен с высотой камеры сжатия, по меньшей мере равной 0,7 мм. Кроме того, двигатель может быть также выполнен с возможностью поддержания открытым впускного клапана в течение части этапа сжатия, например, по меньшей мере в течение 10% этапа сжатия.

Согласно еще одному варианту настоящего изобретения предложен двигатель внутреннего сгорания, в котором воздух и топливо смешиваются в смесительном устройстве, содержащем:

устройство Вентури;

впуск для воздуха; и

средство впуска топлива,

причем положение клапана регулируется, обеспечивая регулирование соотношения компонентов топливовоздушной смеси.

Согласно еще одному варианту изобретения предложен способ управления сгоранием в двигателе внутреннего сгорания, включающий этапы, на которых:

обеспечивают двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания с поршнем, причем камера сгорания и поршень выполнены с возможностью уменьшения участков местного перегрева;

конфигурируют камеру сгорания с возможностью обеспечения высокой степени сгорания, при которой 90% топлива сгорает при положении угла поворота коленчатого вала от 15° до 40°;

подают топливовоздушную смесь в камеру сгорания через впуск;

закрывают впуск во время этапа сжатия; и

воспламеняют топливовоздушную смесь, когда максимальная степень сжатия топливовоздушной смеси находится в пределах от 15:1 до 25:1, и когда положение угла поворота коленчатого вала поршня составляет от 0 до 15 градусов после верхней мертвой точки (ПВМТ).

По существу, все края в камере сгорания выполнены с радиусом по меньшей мере 0,5 мм.

Согласно способу регулирования сгорания в соответствии с изобретением степень сжатия предпочтительно находится в пределах от 17:1 до 20:1 и более предпочтительно от 17,5:1 до 18,5:1.

Угол поворота коленчатого вала предпочтительно находится в пределах от 0° до 5° и наиболее предпочтительно 2° после верхней мертвой точки (ПВМТ).

Радиус краев может составлять около 2 мм.

Способ дополнительно включает:

получение сигнала значения кислорода после камеры сгорания;

подачу сигнала в устройство управления; и

регулирование соотношения компонентов топливовоздушной смеси, поступающей в камеру сгорания, используя сигнал регулирующего значения.

Устройство управления поддерживает значение кислорода до приблизительно лямбда, равного 1.

Согласно еще одному варианту изобретения транспортное средство, судно или электростанция имеют описанный выше двигатель внутреннего сгорания поршневого типа.

Эти и другие варианты изобретения изложены и пояснены в приведенных ниже вариантах осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение излагается, не ограничивая его, более подробно со ссылкой на приводимые в качестве примера варианты осуществления, показанные на прилагаемых чертежах, на которых:

Фиг.1 представляет собой цилиндр двигателя согласно изобретению;

Фиг.2 представляет собой схематическое изображение зависимости давления от угла поворота коленчатого вала согласно изобретению;

Фиг.3 представляет собой схематическое изображение зависимости давления от угла поворота коленчатого вала согласно изобретению;

Фиг.4 представляет собой схематичный вид смесителя воздуха/топлива согласно изобретению;

Фиг.5 представляет собой схематичный вид двигателя согласно изобретению;

Фиг.6 представляет собой схематичный вид устройства управления согласно изобретению; и

Фиг.7 представляет собой схематичный вид поршня с полостью согласно изобретению.

Подробное описание изобретения

На Фиг.1 показан цилиндр 1 в двигателе с поршнем 2, выполненным с возможностью перемещения между двумя положениями в цилиндре 2 и сжимающим топливовоздушную смесь, впрыскиваемую из впуска 4 в одном из положений поршня 2 в цилиндре 1 (ВМТ). Свеча 3 зажигания (или аналогичное устройство зажигания) в ВМТ воспламеняет топливовоздушную смесь; и сгорание топлива повышает давление в цилиндре 1, за счет чего поршень 2 перемещается из верхнего положения. После их сгорания выхлопные газы выходят через выпуск 5 выхлопных газов. Открытие впуска и выпуска регулируется соответствующим клапаном 6 и 7. Изобретение не ограничивается 2 клапанами на один цилиндр, и, как это известно специалистам в данной области техники, можно применить любое целесообразное количество клапанов. Образуемый поршнем 2 объем, внутренняя поверхность цилиндра 13 и верхний конец цилиндра (т.е. конец, в котором расположена свеча 3 зажигания) образуют камеру 11 сгорания.

Перемещение поршня представляет собой функциональное механическое соединение с шатуном 8, соединенным с коленчатым валом 9, который в свою очередь механически соединен с другими элементами системы, которым двигатель обеспечивает мощность.

Двигатель содержит многие другие детали и элементы, известные специалисту, включая, но не ограничиваясь, насосы, охладитель, электропроводку, электрическую систему зажигания и другие детали для механического действия двигателя. В этом документе излагаются только подробности, существенные для понимания изобретения.

Поршень перемещается к верхнему концу цилиндра и к точке поворота (ВМТ), где сжатие топливовоздушной смеси наибольшее. Согласно изобретению степень сжатия находится в пределах от 15:1 до 25:1 в зависимости от используемого топлива, для жидкого пропана предпочтительная степень сжатия составляет от 17:1 до 20:1 и более предпочтительно от 17,5:1 до 18,5:1. Наиболее целесообразное сжатие изменяется в зависимости от используемого топлива. Двигатель может работать со сжатием, в 3-4 раза превышающем сжатие в обычных двигателях.

Момент зажигания по отношению к углу поворота коленчатого вала 9, равному 0°, когда поршень находится в ВМТ, предпочтительно поддерживается фиксированным в значениях от 0° до 25°, более предпочтительно от 0° до 15° и еще более предпочтительно от 0° до 5°, и наиболее предпочтительно в значении 2° после ВМТ угла поворота коленчатого вала 9. Этот момент зажигания может динамически изменяться во время работы двигателя и в зависимости от числа оборотов двигателя и/или отбираемой мощности. Например, зажигание может начаться при 10° ПВМТ при пуске двигателя, при 5° ПВМТ как на промежуточном этапе, и при 2° ПВМТ на полной мощности. Но для этого типа работы двигателя согласно изобретению требуется комплексное регулирование зажигания и подачи топливовоздушной смеси, но как положительный результат при этом обеспечивается более тихий двигатель. Следует отметить, что в данном описании момент зажигания означает фактическую искру, а не управляющие сигналы, инициирующие формирование искры, т.к. в зависимости от системы зажигания могут иметь место разные задержки.

Датчик детонации можно использовать для улучшения регулирования начала зажигания по отношению к углу поворота коленчатого вала.

На Фиг.2 показан график зависимости давления в камере сгорания 11 от угла поворота коленчатого вала (по отношению к ВМТ). Согласно Фиг.2 зажигание начинается приблизительно при 0° ПВМТ. На Фиг.3 показана более крупная часть цикла зажигания, показывающая, что максимальное давление получается приблизительно при 20° ПВМТ. Здесь только поясняется, что быстрое сгорание и максимальное давление обеспечиваются в приблизительном положении коленчатого вала при 20° ПВМТ, и что весь процесс сгорания заканчивается до того, как коленчатый вал достигнет нижней мертвой точки.

Топливовоздушный смеситель расположен перед впуском 4 в цилиндр 1 для смешивания соответствующей смеси воздуха и топлива; этот смеситель может быть устройством 400 Вентури, как показано на Фиг.4а и 4b, содержащим впуск 412 для топлива в камеру 403 регулирования потока топлива. Клапан 401 или аналогичное устройство могут регулировать поток топлива. Клапан приводится в действие исполнительным устройством 415 (например, шаговым электродвигателем или другим подходящим исполнительным устройством, известным специалисту в данной области техники), которым, в свою очередь, может управлять устройство 416 управления. Устройство регулирования потока топлива соединено со смесительным устройством 406 через соединительное отверстие 405. Топливо поступает в камеру 404, соединенную с устройством 408 Вентури, содержащим смесительную камеру 407, через средство впуска топлива в виде одного или нескольких отверстий 409. Воздух 402 (или другой окислитель) входит из впуска 418 для воздуха, и отражатель 411 потока придает ему турбулентность. Воздух и топливо смешиваются в смесительной камере 407 и проходят к камере 11 сгорания. Устройство 408 Вентури соединено со смесительным устройством 406, имеющим одно или несколько уплотнительных колец 413, которые обеспечивают плотное соединение топлива и/или воздуха. Устройство 408 Вентури поэтому легко заменяется в зависимости от топлива.

Топливо поступает из бака по топливопроводу и впуску 412 для топлива. Отверстия 409 могут иметь разные формы или конструкции форсунок или отверстий для улучшения смешивания. Конструкция, количество и размер этих форсунок или отверстий 409 могут быть разными в зависимости от используемого топлива, в целях подачи соответствующего количества топлива, обеспечения надлежащих характеристик рассеивания и т.д.

В зависимости от топлива конструкция 409 впуска топлива разная для общей данной площади поверхности, минимальной площади поверхности, от типа конструкции и зоны равновесия для обеспечения целесообразного исходного теоретического соотношения компонентов топливовоздушной смеси. Поэтому можно предусмотреть второе исполнительное устройство (не показано) для изменения конструкции впуска 409 топлива и/или исходного значения соотношения компонентов топливовоздушной смеси.

В некоторых системах впрыска топлива топливо подается импульсами, а в других топливо подается непрерывно, и в обоих случаях важно, чтобы поток топлива был не ламинарным, а турбулентным - для улучшения смешивания с воздухом.

На Фиг.5 схематично показана система 500 двигателя внутреннего сгорания согласно изобретению, в которой топливо подается из бака 501 и вводится в смесительное устройство 502 воздуха/топлива по топливопроводу 503. Воздух захватывается в смеситель 502 воздуха/топлива, и эта смесь выдается в систему 504 сгорания с использованием выдачного устройства 505. Выдачным устройством 505 может быть дроссель для регулирования, например, количества топливовоздушной смеси, подаваемой в цилиндр 1.

Система сгорания содержит цилиндр, поршень и другие механические элементы, описанные в отношении Фиг.1, и обеспечивает мощность для процесса, который должен ею обеспечиваться 506. После системы 504 сгорания расположен датчик на линии 508 выхлопных газов, измеряющий содержание кислорода (для получения лямбда-значения, т.е. соотношения компонентов топливовоздушной смеси) в выхлопных газах, которое отражает эффективность сгорания. Датчиком 507 может быть, например, лямбда-датчик. Как вариант, можно предусмотреть каталитический дожигатель 509 выхлопных газов, если это необходимо или требуется действующими нормами. Устройство 510 управления можно предусмотреть для регулирования различных элементов системы 500 двигателя.

Сигнал от лямбда-датчика обеспечивает управляющий сигнал, который можно использовать для регулирования соотношения компонентов топливовоздушной смеси с целью дальнейшего регулирования эффективности сгорания в двигателе в отношении отбираемой мощности. Сигнал от датчика 507 считывается в устройстве 510 управления. Устройство 510 управления может содержать электронное регулирующее устройство 600. Это электронное регулирующее устройство 600 может содержать по меньшей мере одно вычислительное устройство 601 (например, микропроцессор), запоминающее средство 602 (энергозависимое или энергонезависимое), при необходимости, по меньшей мере одно задающее устройство 603 для датчика и соединитель 607 датчика. Электронное регулирующее устройство 600 может также включать в себя по меньшей мере одно коммуникационное соединение 608 для сообщения с внутренними элементами двигателя и/или со связанными с двигателем элементами (такими, например, известными специалисту элементами транспортного средства, как индикатор уровня топлива, скорость вращения колес, крутящий момент, прилагаемый к связанному с двигателем процессу, и пр.), энергонезависимую память 604 для запоминания данных, коммуникационное соединение 605 для сообщения с внешней диагностической системой или анализирующей системой. В зависимости от вида применения двигателя могут быть предусмотрены и другие дополнительные устройства 606. Коммуникационными соединениями 605, 607 и 608 могут быть соединения любого соответствующего типа, включая, но не ограничиваясь сети стандарта Ethernet, СAN bus, 12C bus, MOST bus, Intellibus и другие, также беспроводные системы связи (например, локальные беспроводные сети, такие как радиосистемы стандарта 802.11), персональная локальная беспроводная сеть ((например Bluetooth) и т.п.).

Устройство 510 управления регулирует соотношение компонентов топливовоздушной смеси путем, например, приведения в действие такого исполнительного устройства (не показано), как шаговый электродвигатель, при этом регулируя положение клапана 401 и тем самым обеспечивая регулирование количества топлива, проходящего через камеру 403 регулирования потока топлива. Устройство управления предпочтительно использует сигнал от лямбда-датчика в качестве регулирующего значения и поддерживает лямбда-значение, равное 1,0, путем изменения соотношения компонентов топливовоздушной смеси. Благодаря эффективному сгоранию согласно изобретению можно обеспечить и поддерживать лямбда-значение 1,0. В системе впрыска топлива устройство 510 управления регулирует количество впрыскиваемого топлива, и, таким образом, соотношение компонентов топливовоздушной смеси в камере сгорания.

Двигатель согласно изобретению выполнен для работы на газе. Для работы на других видах топлива может потребоваться изменение механической конструкции и электронного управления двигателя для его более оптимальной работы. Например, жидкое топливо должно хорошо диспергироваться для лучшего смешивания топлива и воздуха; в двигателе с впрыском топлива в конце впрыска небольшое количество воздуха может входить после топлива, чтобы очистить от топлива впускные отверстия впрыска топлива; соотношения компонентов топливовоздушной смеси можно изменять в зависимости от топливной экономичности и можно изменять моменты зажигания.

Согласно изобретению можно использовать разные типы топлива, например, но не ограничиваясь: бензин (газолин), спирт (метанол или этанол), жидкий пропан, природный газ, разные виды биогаза (по возможности в переработанном виде) и бытовой газ. В зависимости от топлива могут потребоваться и другие системы впрыска топлива. Можно использовать момент между впрыском топлива и углом поворота коленчатого вала, т.е. момент впрыска топлива регулируется по углу поворота коленчатого вала.

Благодаря позднему зажиганию (около 2° ПВМТ) и более высокой степени сжатия можно получить локально более высокие температуры по сравнению с обычными двигателями. Для надлежащего функционирования свечи зажигания используются выдерживающие высокие температуры свечи зажигания (например, сделанные из специальных материалов и/или охлаждаемые), и напряжение зажигания превышает 30 кВ, предпочтительно 40 кВ. Слишком низкое напряжение обусловит пропуск зажигания или обратную вспышку, но систему можно использовать при напряжении от 25 кВ. Для повышенного напряжения требуется усиленная катушка зажигания и соответствующим образом выполненные системы зажигания для работы с более высокими значениями напряжения. Также может быть целесообразным использование систем зажигания с полным сопротивлением ниже, чем у обычных систем зажигания, порядка нескольких Ом или меньше. В связи с высокой степенью сжатия и риском повышенных температур обязательно нужно уменьшить число острых краев на свече зажигания, например, не должно быть видимой резьбы внутри камеры 11 сгорания между входом свечи зажигания в камере 11 сгорания и самой частью свечи зажигания, генерирующей искру. Напряжение упоминается для обычной свечи зажигания с одной искровой дугой. Для других конструкций свечи зажигания применяются другие значения напряжения, поскольку значение имеет именно выделяемая энергия, например, свеча зажигания с несколькими искровыми дугами может иметь меньшее напряжение, но выделять такую же энергию в камере сгорания.

Благодаря высокому напряжению и высокой степени сжатия сгорание происходит быстро, и это обстоятельство важное, т.к. химическая энергия превращается в кинетическую энергию поршня 2 вместо выделения тепла в камере 11 сгорания и в окружающем материале.

Острые края могут нагреться до степени, достаточной для самовоспламенения, происходящего из-за этих участков местного перегрева. Но по причине быстрого сгорания, обеспечиваемого высоким давлением в небольшой камере сгорания, совокупная теплопередача в окружающие стенки уменьшается, в результате чего снижается температура выхлопных газов.

Это требование по устранению острых краев относится, по существу, ко всем элементам камеры 11 сгорания. Например, поршень 2 должен иметь скругленный периферийный край 12. Радиус этого края должен быть около 0,5 мм или больше, предпочтительно около 2 мм.

Для дальнейшего устранения неблагоприятных эффектов в камере сгорания: в поршне можно выполнить полость. Эта полость имеет по меньшей мере два положительных эффекта для уменьшения воздействия со стороны сгорания на внутренние стенки камеры сгорания.

Поскольку сгорание большей частью будет происходить в этой полости, поэтому влияние тепла на внутренние стенки камеры 11 сгорания, т.е. на внутреннюю поверхность 13 цилиндра, будет значительно снижено (по меньшей мере в начальной фазе сгорания).

Можно предположить, что выделяемая при сгорании энергия будет действовать на более крупную площадь поверхности (полость увеличивает площадь поверхности поршня), и повышение температуры уменьшится соответственно.

На Фиг.7 показан поршень 700 согласно настоящему изобретению в поперечном сечении, в котором полость 701 сформирована в верхней части поршня 700. Форма полости не ограничивается приведенным примером, и может, как известно из уровня техники, иметь многие другие выполнения с разными соотношениями глубины и ширины, с разными формами и с разными размерами. В процессе сгорания фронт пламени первоначально начинается в этой полости 701, возможно в виде, по существу, сферического шара фронта пламени, и прилагает существенную часть давления и тепловое воздействие на внутреннюю часть полости 701 и на меньшую часть внутренней поверхности цилиндра. Поршень 700 легче остывает, чем верхняя часть внутренней поверхности цилиндра, и поэтому охлаждение происходит быстрее. Следует отметить, что меньшую полость можно также сформировать в «крыше» цилиндра вместо поршня или вместе с полостью в поршне.

Высота между верхней частью поршня и «крышей» цилиндра, когда поршень находится в своей верхней мертвой точке, т.е. так называемая высота сжатия, также является важным обстоятельством, т.к. небольшая высота сжатия улучшает скорость сгорания, а быстрое сгорание является одним из преимуществ данного изобретения. Но большее значение высоты сжатия снижает риск образования участков местного перегрева в камере сгорания. Целесообразно, чтобы эта высота была по меньшей мере 0,7 мм или более. Эта высота измеряется от верхней точки поршня, а не от любой части полости, как это упомянуто в пояснении со ссылкой на чертеж Фиг.7.

Важным фактором изобретения является скорость горения; и конфигурация двигателя предназначена для обеспечения быстрого горения, которым можно назвать израсходование 90% топлива в горении в зависимости от угла поворота коленчатого вала в градусах. Согласно изобретению совокупный угол горения, при сгорании от 0 до 90% топливовоздушной смеси, составляет порядка 15-40 градусов угла поворота коленчатого вала: в зависимости от числа оборотов, вида топлива и/или типа двигателя. Пик горения может изменяться в зависимости от момента, в котором устройство зажигания начинает горение.

Важным обстоятельством является установка фаз клапанного распределения. Предпочтительно, чтобы между впуском 4 и выпуском 5 цилиндра не было перекрытия открытых клапанов, т.е. если впускной клапан 4 открыт, то выпускной клапан 5 должен быть закрыт, и наоборот. Также для эффективного удаления выхлопных газов после сгорания выходной клапан 5 нельзя дросселировать, и двигатель должен иметь возможность «дышать свободно», чтобы быстро удалять выхлопные газы из камеры 11 сгорания. Но в некоторых обстоятельствах перекрытие между отверстиями клапанов может иметь место.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения газовый двигатель, преобразованный из дизельного двигателя, согласно изобретению предпочтительно работает без турбонаддува, поскольку для этого потребовалась бы регулируемая работа двигателя в связи с высокими температурами сгорания, но при работе двигателя с турбонаддувом его нужно отрегулировать на максимальное давление 0,8 бар, а предпочтительно 0,4 бар для оптимальных рабочих показателей, но можно использовать и другие установленные значения давления турбонаддува. Целесообразно, чтобы перекрытие клапанов не происходило для устранения повышения температуры в камере 11 сгорания.

Некоторые преимущества изобретения по сравнению с обычными двигателями:

повышенный кпд;

повышенная выходная мощность;

меньшее загрязнение камеры сгорания нежелательными веществами;

меньший износ деталей двигателя;

повышенный крутящий момент;

снижение шума при работе;

более редкое техническое обслуживание, т.е. более длительный перерыв между обслуживанием;

снижение расхода топлива;

уменьшение выброса экологически вредных веществ;

двупроходной каталитический дожигатель выхлопных газов. Двигатель может работать с двупроходным каталитическим дожигателем выхлопных газов, но каталитический процесс может быть более эффективным с трехпроходным дожигателем выхлопных газов;

уменьшение вибрации;

меньшая температура выхлопных газов.

Коленчатый вал находится в благоприятном положении, уже пройдя ВМТ, когда начинается сгорание, тем самым уменьшая механическое напряжение, действующее на элементы. Этот эффект обеспечивает несколько преимуществ из числа перечисленных выше.

Двигатель согласно изобретению имеет преимущество в том, что он достигает полного или почти полного крутящего момента при низких оборотах двигателя (например, 1300 об/мин), и затем показывает, по существу, статическую кривую крутящего момента до максимально возможного числа оборотов.

Также возможна работа в обедненном режиме, т.е. избыток кислорода по сравнению со стехиометрическим соотношением воздуха/топлива (14,7:1), что означает, что лямбда-значение больше 1,0. Но для работы в этом режиме необходимы некоторые изменения конфигурации двигателя, например изменения в смесительном устройстве воздуха с топливом, изменение момента зажигания по отношению к углу поворота коленчатого вала и т.д.

Можно использовать разные фазы клапанного распределения в зависимости от конфигурации двигателя, вида топлива и режима работы. Например, изобретение может выиграть от задержки закрытия впускного клапана, чтобы уменьшить требуемое количество энергии для сжатия (по сравнению с циклом Миллера, иногда используемым для дизельных двигателей) и обеспечить гомогенность горючей смеси: часть горючей смеси, поступившей в камеру сгорания, может выйти обратно в предшествующий объем канала горючей смеси перед впускным клапаном. Эта гомогенизированная горючая смесь затем будет положительно влиять на объемы горючей смеси, проходящей в впускной клапан для следующего цикла горения. Впускной клапан будет открыт в течение части цикла сжатия, по меньшей мере в течение 10% этапа сжатия. Например, в одном варианте осуществления изобретения впускной клапан закрывается при 135° перед ВМТ. Гомогенизирование горючей смеси будет способствовать горению, в результате чего горение будет более быстрым; это может быть, например, целесообразным для систем, использующим жидкие виды топлива, например бензин, т.е. использующим жидкость при нормальных температурах и давлениях.

Благодаря уменьшению износа элементов двигателя согласно изобретению, в частности, передающих усилие элементов, можно предусмотреть иные, по сравнению с обычным двигателем, последовательности момента цилиндров. Например, обычный шестицилиндровый двигатель часто имеет следующую последовательность момента цилиндров: 1, 5, 3, 6, 2 и 4, в то время как согласно изобретению возможны другие последовательности, например: 1, 2, 3, 4, 5 и 6, но не ограничиваясь ими.

Изобретение не ограничивается конкретными приводимым в качестве примера выполнением смесителя 502 воздуха/топлива и дросселя 505, но, как известно специалисту в данной области техники, можно использовать любой другой их тип, например карбюраторные системы или системы впрыска топлива, включая технические решения общего вида. В общих технических решениях для бензиновых двигателей предпочтительное рабочее давление может быть около 200 бар, но при этом необходимо, чтобы впрыскиваемая топливовоздушная смесь в камеру сгорания была обязательно близкой к полному сжатию. Предпочтительно впрыскивать топливо заблаговременно до ВМТ, в пределах от -270 до -90 градусов до ВМТ. Каждому цилиндру предпочтительно обеспечивают отдельно регулируемый впрыск, и топливо смешивают с воздухом перед входом в камеру сгорания. В этой отдельно регулируемой системе целесообразно регулировать сгорание по измеряемому лямбда-значению как по параметру обратной связи.

Как упомянуто выше, можно использовать прямой впрыск топлива в двигатель, но элементы подачи топлива и способы смешения воздуха/топлива при этом будут изменены соответственно. Это обстоятельство, разумеется, относится также и к другим системам подачи топлива.

Следует отметить, что датчики 507 можно отрегулировать заранее внешними средствами и/или подчинить управляющему устройству 510 (600) при помощи системы общей линии связи, часто имеющейся в транспортном средстве, вместо непосредственной связи с управляющим устройством 510.

Двигатель согласно изобретению можно использовать в любом типе транспортных средств, включая, но не ограничиваясь, легковые автомобили, мотоциклы, грузовики, вилочные погрузчики, автобусы и другую тяжелую автотехнику. Этот двигатель можно также использовать в суднах, в цепных пилах, в энергетическом оборудовании для привода механических работ, в генерирующих электричество устройствах электростанции или в любом другом типе объекта, включая двигатель с искровым зажиганием.

Следует отметить, что слово «содержит» не исключает наличия других элементов или этапов кроме перечисляемых, и единственное число какого-либо элемента не исключает наличия нескольких этих элементов. Следует также отметить, что ссылочные позиции не ограничивают объем притязаний, и что несколько «средств» могут быть обозначены одной и той же ссылочной позицией.

Упомянутые и описанные варианты осуществления приведены только в качестве примеров, и они не должны рассматриваться как примеры, ограничивающие настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники будут очевидны другие технические решения, применения и функции в рамках объема прилагаемой ниже формулы изобретения.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям внутреннего сгорания с циклом, в котором начало зажигания происходит после верхней мертвой точки. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя на различных типах топлива. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит камеру (11) сгорания и поршень (2) с обеспечением максимальной степени сжатия в пределах от 15:1 до 25:1. Впуск (4) для приема топливно-воздушной смеси в камеру (11) сгорания и устройство (3) зажигания, расположенное в камере (11) сгорания, для воспламенения топливно-воздушной смеси при значениях угла поворота коленчатого вала от 0 градусов до 15 градусов после верхней мертвой точки (ПВМТ) поршня в камере (11) сгорания. При этом камера сгорания и поршень выполнены с возможностью снижения риска образования участков местного перегрева, а двигатель выполнен с возможностью обеспечения скорости горения, при которой 90% топлива сгорает при значениях угла поворота коленчатого вала от 15° до 40°. Изобретение также относится к способу сгорания, транспортному средству, судну или электростанции, содержащим двигатель внутреннего сгорания согласно изобретению. 5 н. и 30 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания поршневого типа, работающий на смеси горючего топлива и воздуха, содержащий:
по меньшей мере одну камеру (11) сгорания и поршень (2), установленный с возможностью перемещения в камере (11) сгорания для сжатия топливно-воздушной смеси с обеспечением максимальной степени сжатия в пределах от 15:1 до 25:1;
впуск (4), расположенный в камере сгорания для приема топливно-воздушной смеси в камеру (11) сгорания;
устройство (3) зажигания, расположенное в камере (11) сгорания для воспламенения топливно-воздушной смеси, поступившей в камеру (11) сгорания, при значениях угла поворота коленчатого вала от 0 до 15° после верхней мертвой точки (ПВМТ) поршня в камере (11) сгорания; при этом
камера сгорания и поршень выполнены с возможностью снижения риска образования участков местного перегрева, а двигатель выполнен с возможностью обеспечения скорости горения, при которой 90% топлива сгорает при значениях угла поворота коленчатого вала от 15 до 40°.

2. Двигатель по п.1, в котором степень сжатия предпочтительно находится в пределах от 17:1 до 20:1, и более предпочтительно от 17,5:1 до 18,5:1.

3. Двигатель по п.1, в котором угол поворота коленчатого вала (9), при котором происходит зажигание топливно-воздушной смеси, предпочтительно находится в пределах от 0 до 5°, а наиболее предпочтительно угол равен 2° после верхней мертвой точки (ПВМТ).

4. Двигатель по п.1, в котором края в камере (11) сгорания скруглены с радиусом, по меньшей мере равным 2 мм.

5. Двигатель по п.1, в котором края в камере (11) сгорания скруглены с радиусом, по меньшей мере равным 0,5 мм.

6. Двигатель по п.1, в котором поршень (2) содержит по меньшей мере одну полость (701) на верхней части поршня (2, 700).

7. Двигатель по п.1, в котором устройство (3) зажигания содержит свечу зажигания, имеющую, по существу, гладкую поверхность между входом свечи (3) зажигания в камере (11) сгорания и блоком генерирования искры на свече (3) зажигания.

8. Двигатель по п.1, в котором края (12) на части поршня (2), обращенной к устройству зажигания, скруглены с радиусом по меньшей мере 0,5 мм.

9. Двигатель по п.1, в котором края (12) на части поршня (2), обращенной к устройству зажигания, скруглены с радиусом около 2 мм.

10. Двигатель по п.1, дополнительно содержащий устройство (416, 510, 600) управления со средством регулирования соотношения компонентов топливно-воздушной смеси.

11. Двигатель по п.10, дополнительно содержащий датчик (507) кислорода, такой как лямбда-датчик, расположенный после камеры (11) сгорания в канале (508) выпуска выхлопных газов.

12. Двигатель по п.11, в котором устройство (416, 510, 600) управления выполнено с возможностью считывания сигнала от датчика кислорода и использования его для определения соотношения компонентов топливно-воздушной смеси.

13. Двигатель по п.12, в котором устройство (416, 510, 600) управления выполнено с возможностью управления положением регулирующего элемента (401), управляющего соотношением компонентов топливно-воздушной смеси.

14. Двигатель по п.12, в котором устройство (416, 510, 600) управления выполнено с возможностью поддержания значения лямбда около 1.

15. Двигатель по п.1, в котором угловое положение зажигания коленчатого вала поддерживается фиксированным в течение работы двигателя.

16. Двигатель по п.1, в котором угол поворота коленчатого вала, при котором происходит зажигание топливно-воздушной смеси, регулируется от 10 до 0° ПВМТ в зависимости от отбираемой мощности и/или числа оборотов.

17. Двигатель по п.1, в котором устройство (3) зажигания выполнено с возможностью обеспечения искры от напряжения зажигания, равного по меньшей мере 25 кВ.

18. Двигатель по п.1, в котором устройство (3) зажигания содержит свечу зажигания работающую при напряжении, предпочтительно превышающем 30 кВ.

19. Двигатель по п.1, дополнительно содержащий турбонагнетатель, обеспечивающий максимальное давление турбонаддува, равное 0,8 бар, и предпочтительно 0,4 бар.

20. Двигатель по п.1, в котором топливо представляет собой по меньшей мере одно из: бензина (газолина), спирта (такого как, метанол или этанол), жидкого пропана, природного газа, биогаза и бытового газа.

21. Двигатель по п.1, дополнительно содержащий средство регулирования зажигания относительно угла поворота коленчатого вала (9).

22. Двигатель по п.1, в котором высота камеры сжатия составляет по меньшей мере 0,7 мм.

23. Двигатель по п.1, в котором впуск открыт в течение по меньшей мере 10% этапа сжатия.

24. Двигатель по п.1, дополнительно содержащий смесительное устройство (400) для смешивания воздуха и топлива, содержащее:
устройство (408) Вентури;
впуск (418) для воздуха; и
средство (409) впуска топлива;
при этом положение клапана (401) в смесительном устройстве (400) регулируется и обеспечивается регулирование соотношения компонентов топливно-воздушной смеси.

25. Способ управления сгоранием в двигателе внутреннего сгорания, включающий этапы, на которых:
обеспечивают двигатель внутреннего сгорания, содержащий камеру сгорания с поршнем, причем камера сгорания и поршень выполнены с возможностью уменьшения участков местного перегрева;
конфигурируют камеру сгорания с возможностью обеспечения высокой степени сгорания, при которой 90% топлива сгорает при положении угла поворота коленчатого вала от 15 до 40°;
подают топливно-воздушную смесь в камеру (11) сгорания через впуск (4);
закрывают впуск во время этапа сжатия; и
воспламеняют топливно-воздушную смесь, когда максимальная степень сжатия топливно-воздушной смеси находится в пределах от 15:1 до 25:1, и когда положение угла поворота коленчатого вала поршня составляет от 0 до 15° после верхней мертвой точки (ПВМТ).

26. Способ по п.25, в котором значения степени сжатия предпочтительно находятся в пределах от 17:1 до 20:1, и более предпочтительно от 17,5:1 до 18,5:1.

27. Способ по п.25, в котором угол поворота коленчатого вала предпочтительно находится в пределах от 0 до 5°, и наиболее предпочтительно равен 2° после верхней мертвой точки (ПВМТ).

28. Способ по п.25, в котором, по существу, все края в камере (11) сгорания имеют радиус по меньшей мере равный 0,5 мм, включая поршень (2) по меньшей мере с одной полостью (701) на верхней части поршня (2).

29. Способ по п.28, в котором радиус краев составляет около 2 мм.

30. Способ по п.25, в котором зажигание обеспечивают искрой, генерируемой напряжением свыше 25 кВ.

31. Способ по п.25, в котором дополнительно:
получают сигнал значения кислорода после камеры (11) сгорания;
подают сигнал в устройство (510, 600) управления; и регулируют соотношение компонентов топливно-воздушной смеси, поступающей в камеру (11) сгорания, используя сигнал в качестве регулирующего значения.

32. Способ по п.31, в котором устройство (510, 600) управления поддерживает значение кислорода приблизительно до значения лямбда, равного 1.

33. Транспортное средство, содержащее двигатель внутреннего сгорания по любому из пп.1-24.

34. Судно, содержащее двигатель внутреннего сгорания по любому из пп.1-24.

35. Электростанция, содержащая двигатель внутреннего сгорания по любому из пп.1-24.