ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С РЕГЕНЕРАЦИЕЙ ТЕПЛА Российский патент 2014 года по МПК F02M31/14 

Изобретение относится к области двигателестроения, точнее, к двигателям внутреннего сгорания с регенерацией тепла.

Известен двигатель внутреннего сгорания, например, по А.С. СССР №544759, МПК² F02B 27/00, содержащий систему газораспределения для двигателя внутреннего сгорания, например, выпускную. Эта система содержит основной трубопровод и подвижно установленный на нем насадок, при этом с целью повышения эффективности использования волновых эффектов, на трубопроводе и насадке выполнены окна, и по крайней мере, одна из сторон окна на трубопроводе ориентирована под углом к стороне насадка для измерения при относительном повороте положения совмещаемых частей окон. При этом основная часть механизма газообразования остается сложной и содержит клапана, пружины, толкатели и распределительный вал, кинематически связанный с коленчатым валом.

Известен двигатель внутреннего сгорания по А.С. СССР №1236128, МПК F02B 27/00. Этот двигатель содержит систему резонансного наддува, содержащую впускной трубопровод с двумя диаметрально противоположными продольными окнами, подсоединенными к цилиндрам с несовпадающими фазами впуска, и подвижный насадок, установленный на впускном трубопроводе и выполненный с двумя диаметрально противоположными отражательными окнами, первая сторона которых ориентирована под углом к стороне соответствующего продольного окна, а в месте наложения отражательных окон на продольные выполнено проходное отверстие, при этом с целью улучшения амплитудно-фазовых параметров колебаний давления и снижения насосных потерь, подвижный насадок выполнен с двумя дополнительными отражательными окнами, причем вторая сторона основных отражательных окон выполнена параллельно первой стороне, дополнительные отражательные окна совпадают по форме с основными отражательными окнами, а отношение суммарной площади сечений проходных отверстий к площади сечения впускного трубопровода равно 2…2, 5.

Недостатки такие же, что и у предыдущего аналога.

Известен также двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2008457, МПК⁵ F02 и 27/00, который содержит выпускную систему, которая содержит выпускной трубопровод, подвижно установленный на трубопроводе насадок, причем выпускной трубопровод и насадок снабжены соответственно продольной и наклонной прорезями. В выпускном трубопроводе установлен поршень с возможностью осевого перемещения, причем в днище поршня выполнено углубление в виде конуса.

Известен двигатель внутреннего сгорания классической схемы, применяемый для автомобилей ВАЗ-2101, ВАЗ-2103 и т.п., описанный в книге Д.В. Кожейкина «Как самому починить автомобиль», «Фрегат», Челябинск, 1992, с.8. Этот двигатель содержит коленчатый вал, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси и систему выхлопа продуктов сгорания, по крайней мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем.

Недостатки: сложность конструкции и низкий КПД.

Известен двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ на изобретение №2176323, МПК F02G 3/00, опубл. 27.11.2001 г., прототип.

Сущность этого изобретения заключается в том, что осуществляют ступенчатое сжатие воздуха с одновременным понижением (отводом) его температуры и ступенчатое расширение рабочих газов за счет дополнительного впрыска топлива. Тепло выхлопных газов используют для нагрева сжатого воздуха. Признаки общие заявленного объекта и прототипа: цилиндр, поршень, коленчатый вал и система регенерации тепла.

Недостатки прототипа: конструктивная сложность системы регенерации и низкая эффективность регенеративного процесса, а также большие габариты теплообменника регенерации из-за использования двух газовых сред: воздуха и продуктов сгорания.

Задачи создания изобретения, совпадающие с техническим результатом, повышение КПД и его надежности, упрощение конструкции и улучшение экологии.

Решение указанных задач достигнуто в двигателе внутреннего сгорания с регенерацией тепла, содержащем коленчатый вал с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, в свою очередь, содержащую систему впуска топливовоздушной смеси с дроссельной заслонкой, систему выхлопа продуктов сгорания с глушителем и, по меньшей мере, один цилиндр, с установленным в нем поршнем, систему жидкостного охлаждения, содержащую трубопроводы, насос, теплообменник и систему зажигания со свечами зажигания, установленными на каждом торце цилиндра, отличающийся тем, что, согласно изобретению, теплообменник установлен в системе впуска топливовоздушной смеси. Перед теплообменником может быть выполнена система наддува, содержащая вентилятор и его привод. Между насосом и теплообменником может быть установлен регулятор расхода. Двигатель может содержать блок управления. Двигатель может содержать датчики давления в каждом цилиндре. Двигатель может содержать датчик температуры воды, установленный после теплообменника, соединенный с блоком управления. Двигатель может содержать датчик углового положения дроссельной заслонки. Двигатель может содержать датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик угла поворота коленчатого вала, соединенные электрической связью с блоком управления. Двигатель может содержать датчик углового положения распределительного вала, соединенный электрическими связями с блоком управления. Двигатель может содержать датчик температуры воздуха в системе впуска топливовоздушной смеси, соединенный электрической связью с блоком управления. Двигатель может содержать датчик температуры атмосферного воздуха, соединенный электрической связью с блоком управления. Двигатель может содержать датчик давления масла, соединенный электрической связью с блоком управления. Теплообменник может быть выполнен с осевым отверстием. Осевое отверстие может быть выполнено с возможностью частичного или полного перекрытия.

Сущность изобретения поясняется на чертежах Фиг.1…8, где:

на фиг.1 приведен вид с торца,

на фиг.2 приведен разрез А-А,

на фиг.3 приведен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания по В-В,

на фиг.4 приведен продольный разрез двигателя по Б-Б,

на фиг.5 приведена схема улучшенного варианта системы регенерации тепла;

на фиг.6 приведена схема двигателя с дополнительными датчиками;

на фиг.7 приведена схема установки теплообменника и нагнетателя,

на фиг.8 приведена схема регулирования режима работы теплообменника.

Двигатель внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигатель) содержит (фиг.1…8), по меньше, мере один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.

В дальнейшем описание изобретения приведено на примере двухцилиндрового четырехтактного двигателя. Тем не менее изобретение распространяет свои права и на одноцилиндровый двигатель, а также на двигатели с любым числом цилиндров и с любым их расположением, например с V-образным расположением цилиндров. Также изобретение может быть применено в двухтактных двигателях, имеющих жидкостное охлаждение. Каждый поршень 2 имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно. Цилиндры 1 выполнены заодно с корпусом 5, имеющим поддон 6 для масла 7. Над цилиндрами 1 установлена головка цилиндров 8, между ними установлена прокладка 9. Двигатель имеет коленчатый вал 10, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров 8.

Система газораспределения содержит систему впуска топливовоздушной смеси 11 с впускным патрубком 12, дросселем 13 и его приводом 14 и систему выпуска выхлопных газов 15 с глушителем 16 и распределительный вал 17 с кулачками 18.

Распределительный вал 17 установлены параллельно оси коленчатого вала 10. В головке цилиндров 8 выполнены впускные отверстия 19 с впускными клапанами 20 (фиг.3) и выпускные отверстия 21 с выпускными клапанами 22 (фиг.4). В цилиндрах 1 при работе образуются камеры сгорания 23.

Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 24, в которых установлены пальцы 25 (фиг.3). Шатуны 24 имеют шатунные подшипники 26. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 27 и уплотнен уплотнениями 28. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 29 (фиг.6).

В систему газораспределения входят ведущая звездочка 30 и ведомая звездочка 31 соединенные цепью (или ремнем) 32. Диаметр ведомой звездочки 30 в 2 раза больше диаметра ведущей звездочки 31. За два оборота коленчатого вала 10 распределительный вал 17 совершает всего один оборот (это относится только к четырехтактным двигателям).

Около бокового участка цепи 31 установлен натяжитель цепи 33, который имеет привод 34 (фиг.1).

Кроме того, двигатель оборудован системой зажигания, которая содержит свечи зажигания 35 по числу цилиндров 1, соединенные высоковольтными проводами 36 соединены с прерывателем 37. Двигатель содержит аккумулятор 38, предназначенный в первую очередь, для обеспечения работы системы зажигания который низковольтными проводами 39 соединен с прерывателем 37. Двигатель может быть оборудован блоком управления 40, который электрической связью 41 соединен с прерывателем 37 (фиг.1).

В двигателе применена система жидкостного охлаждения 42 (фиг.1). Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 43 для охлаждения цилиндров 1. Система охлаждения двигателя содержит полость 43, отводящий трубопровод 44, насос 45, промежуточный трубопровод 46, теплообменник 47 и подводящий трубопровод 48 (по отношению к полости 43).

Двигатель оборудован системой регенерации тепла.

Эта система содержат теплообменник 47, установленный в системе впуска топливовоздушной смеси, конкретно во впускном патрубке 12 и систему наддува 49, содержащую вентилятор 50 с приводом 51.

В отводящем трубопроводе 44 может быть установлен регулятор расхода 52 с приводом 53 (фиг.5). При этом регулятор расхода 52 может быть выполнен с возможностью полного закрывания. В системе регенерации тепла 42 циркулирует охлаждающая жидкость, например вода или антифриз. Двигатель может быть оборудован датчиком давления воздуха 54 за теплообменником 47 и датчиком температур воздуха 55 за теплообменником 47.

Двигатель может быть оборудован датчиками давления 56, соединенными с камерами сгорания 23 каждого цилиндра 1.

Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения коленчатого вала 57, датчиком углового положения коленчатого вала 58, датчиком числа оборотов коленчатого вала 59 (для определения четного или нечетного оборота коленчатого вала) и датчиком углового положения распределительного вала 60, соединенными электрическими связями 41 с блоком управления 40.

Двигатель может быть оборудован датчиком углового положения дроссельной заслонки 61 и датчиком разрежения за дроссельной заслонкой 62. Датчики 61 и 62 электрическими связями 41 соединены с блоком управления 40 (фиг.5). Это позволит скорректировать опережение зажигания при работе с минимальной нагрузкой на высоких оборотах коленчатого вала 10 для экономии топлива.

Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком температуры атмосферного воздуха 63, установленным, например, на входе во впускной патрубок 12, датчиком давления воздуха за нагнетателем 64 (фиг.1 и 7).

В системе регенерации тепла 42, точнее на подводящем трубопроводе 48 за теплообменником 47 может быть установлен датчик температуры охлаждающей жидкости 65.

Теплообменник 47 может быть выполнен кольцевой формы в поперечном сечении и содержать осевое отверстие 66 для прохождения воздуха при засорении теплообменника 47 по воздушной линии (фиг.7).

Возможна конструкция теплообменника с регулированием режима его работы (фиг.8). В этом случае на входе в осевое отверстие 66 установлено коническое тело 67, выполненное с возможностью осевого перемещения, например, соединенным с ним через шток 68 приводом 69 (фиг.8).

РАБОТА ДВИГАТЕЛЯ

Работает двигатель следующим образом.

Двигатель запускается стартером (на фиг.1…8 не показано).

Топливовоздушная смесь подается из впускного патрубка 12 по системе впуска топливовоздушной смеси 11 (Фиг.3) и через впускные отверстия 19 при открытом впускном клапане 20 поступает в камеру сгорания 23. При этом первый поршень 2 находится в верхней мертвой точке ВМТ и начинает движение вниз, работая в режиме впуска топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания 23 первого цилиндра 1. Система выхлопа 15 первого цилиндра 1 в это время закрыта. В это же время для второго цилиндра 1 впускное отверстие 19 закрыто впускным клапаном 20. Продукты сгорания из второго цилиндра 1 поступают в систему выхлопа 15 и глушитель 16 через выпускное отверстие 21 при открытом впускном клапане 22. После того как коленчатый вал 10 совершит пол-оборота, произойдет сжатие топливовоздушной смеси в камере сгорания 23 первого цилиндра 1 и блок управления 40 по электрической связи 41 подает сигнал на прерыватель 37, в котором формируется электрический импульс, который по высоковольтному проводу 36 подает на свечу зажигания 35 первого цилиндра 1 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси. И так циклы повторяются. Цилиндры 1 нагреваются до температуры 500…700°С, и без охлаждения двигатель неработоспособен.

Наиболее эффективно жидкостное охлаждение. Для этого вокруг всех цилиндров 1 сформирована полость 43, заполненная охлаждающей жидкостью. Нагретая охлаждающая жидкость отбирается из полости 43 трубопроводом отбора 44 и насосом 45 через промежуточный трубопровод 46 подается в теплообменник 47, где охлаждается воздухом, нагнетаемым нагнетателем 49. В существующих схемах это тепло не используется. В предложенном двигателе охлаждающая жидкость охлаждается, нагревая при этом воздух. Поступающий из атмосферы воздух поступает в впускной патрубок 12, далее в нагнетатель 49, где его давление и скорость движения увеличиваются, проходя теплообменник 47 воздух нагревается, а циркулирующая в нем охлаждающающая (цилиндры) жидкость охлаждается для повторного использования. Далее охлажденная охлаждающая жидкость подается по трубопроводу подачи 48 после теплообменника 47 снова в полость 43. В результате все тепло или его значительная часть утилизируется. Для полной утилизации тепла следует при помощи привода 53 полностью перекрыть регулятор расхода 52 (фиг.5). Но это невозможно сделать на всех режимах, т.к. может привести к перегреву двигателя. Для этого датчик температуры охлаждающей среды 53 контролирует ее температуру и при превышении допустимой 95…100°С открывает регулятор расхода 52 и подает часть охлаждающей жидкости в теплообменник 47. По этой же причине в теплообменнике 47 выполнено осевое отверстие 65 (фиг.7 и 8). При возможности это отверстие полностью закрывают приводом 67, задвигая в него коническое тело 65 (фиг.8) В то же время при засорении теплообменника 47 по воздушной линии осевое отверстие 47 открывают.

Датчик частоты вращения коленчатого вала 57 контролирует частоту вращения коленчатого вала 10, датчик числа оборотов коленчатого вала 58 - общее число оборотов, а датчик углового положения коленчатого вала 59 постоянно измеряет угловое положение коленчатого вала 10, и в зависимости от этих показателей блок управления 40 подает команды на прерыватель 37 для подачи импульса на свечи зажигания 35.

Кроме того, датчик углового положения 60 распределительного вала 17 определяет истинное угловое положение распределительного вала 17, которое может, во-первых, не соответствует угловому положению коленчатого вала 10, во-вторых, расходиться и между собой, например, при вытяжке цепи 32 или ее проскальзывании относительно звездочек 30 и 31 и блок управления 40 вносит коррекцию в угол опережения зажигания в соответствии с истинным положением распределительного вала 17, а не в соответствии с положением коленчатого вала 10.

Контроль температуры атмосферного воздуха датчиком температуры атмосферного воздуха 61 позволит исключить перегрев двигателя, например, при работе двигателя в относительно жаркое время года и позволит корректировать опережение зажигания и одновременно при помощи привода 52 приоткрывать регулятор расхода 53 для активизации тепообменника 47.

Предложенное техническое решение позволит более четко подавать импульсы на свечи зажигания 35 и корректировать опережение зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала 10. Кроме того, при вытягивании цепи 32 или ее проскальзывании относительно ведомой звездочки 31 осуществляется коррекция момента опережения зажигания.

Корректирование момента опережения зажигания осуществляется и в зависимости от температуры атмосферного воздуха, определяемой датчиком температуры 63. При увеличении температуры момент опережения зажигания увеличивается и наоборот. Датчик давления 64 контролирует работу нагнетателя 49.

Работу теплообменника 47 контролируют датчик давления 54 и датчик температуры 55 и 65. При необходимости привод 69 перемещает коническое тело 66 и перекрывает или открывает полностью или частично осевое отверстие 66 (фиг.8).

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД двигателя на 12…20% за счет более полной утилизации тепла, уходящего в атмосферу в традиционных системе охлаждения двигателя и в выхлопных газах одновременно. При этом возможна полная утилизации этого тепла (регенерация) при использовании регулятора расхода, выполненного с возможностью полного закрывания.

2. Исключить перегрев двигателя за счет применения регулятора расхода и контроля температуры атмосферного воздуха и охлаждающей жидкости после теплообменника и в полости около цилиндров, а также применения теплообменника с регулированием его режима работы как по линии охлаждающей жидкости, так и по линии движения воздуха.

3. Повысить надежность и ресурс системы за счет:

- регулирования режима работы теплообменника,

- регулирования перепуска воздуха через осевое отверстие при засорении.

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к механизмам утилизации тепла. Техническим результатом являются повышение КПД, надежности и экологичности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что теплообменник жидкостной системы охлаждения установлен в системе впуска топливовоздушной смеси. Перед теплообменником может быть выполнена система наддува с вентилятором и его приводом. Охлаждающая жидкость отбирается из полости системы охлаждения двигателя и подается в теплообменник системы впуска. Тепло системы охлаждения, отобранное поступающим в цилиндр воздухом, утилизируется. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Двигатель внутреннего сгорания с регенерацией тепла, содержащий коленчатый вал с ведущей звездочкой, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, в свою очередь, содержащую систему впуска топливовоздушной смеси с дроссельной заслонкой, систему выхлопа продуктов сгорания с глушителем и, по меньшей мере, один цилиндр, с установленным в нем поршнем, систему жидкостного охлаждения, содержащую трубопроводы, насос, теплообменник и систему зажигания со свечами зажигания, установленными на каждом торце цилиндра, отличающийся тем, что теплообменник установлен в системе впуска топливовоздушной смеси, охлаждающая жидкость отбирается из полости системы охлаждения двигателя и подается в теплообменник системы впуска, при этом теплообменник выполнен с осевым отверстием.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что перед теплообменником выполнена система наддува, содержащая вентилятор и его привод.

3. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что между насосом и теплообменником установлен регулятор расхода.

4. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит блок управления.

5. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчики давления в каждом цилиндре.

6. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик температуры воды, установленный после теплообменника, соединенный с блоком управления.

7. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик углового положения дроссельной заслонки.

8. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик частоты вращения коленчатого вала и датчик угла поворота коленчатого вала, соединенные электрической связью с блоком управления.

9. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик углового положения распределительного вала, соединенный электрическими связями с блоком управления.

10. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик температуры воздуха в системе впуска топливовоздушной смеси, соединенный электрической связью с блоком управления.

11. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик температуры атмосферного воздуха, соединенный электрической связью с блоком управления.

12. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит датчик давления масла, соединенный электрической связью с блоком управления.

13. Двигатель по п.1 или 2, отличающийся тем, что осевое отверстие выполнено с возможностью частичного или полного перекрытия.