ДВИГАТЕЛЬ С РАЗДЕЛЁННЫМ ЦИКЛОМ Российский патент 2015 года по МПК F02B41/06 

Область техники

Настоящее изобретение относится к двигателю с воспламенением от сжатия с разделенным циклом с введением топлива и текучей среды, поддерживающей горение, в цилиндр расширения на фазе сгорания.

Уровень техники

Как хорошо известно, традиционные двигатели с воспламенением от сжатия выполняют цикл в одном цилиндре, в котором сначала имеет место впуск воздуха, который затем сжимается; далее топливо впрыскивается и воспламеняется благодаря высокой температуре, достигнутой воздухом в результате сжатия; затем следуют этапы расширения и выпуска. Последствием специфического способа сгорания указанных двигателей являются высоко загрязняющие выбросы углесодержащей пыли и окисей азота.

Для снижения указанных выбросов были предложены различные решения, основанные на усовершенствованиях системы впрыска и также на конкретных принципах впуска и смешения топлива с воздухом согласно принципу гомогенного сгорания, к которым относятся известные методы, такие как HCCI, PCCI, МК и т.д.

Однако во всех этих методах, для управления ходом сгорания, необходимо наличие в цилиндре высокого процента отработавшего газа, который ограничивает доступную удельную мощность. Другими недостатками, присущими некоторым из этих методик, являются большой перепад давления при фазе сгорания, который влечет за собой шум и сильное механическое напряжение.

Также известны решения, основанные на так называемом разделенном цикле, когда этапы впуска и сжатия совершаются вне цилиндра, где происходят этапы сгорания и выпуска (цилиндр расширения). А точнее, камера, где происходят этапы впуска и сжатия, обычно состоит из второго цилиндра (цилиндр сжатия). Решения, основанные на разделенном цикле, были предложены и реализованы как в двигателях с воспламенением от сжатия, так и в двигателях с искровым зажиганием с различными целями.

В WO 2009020488, WO 2009020489, WO 2009020490, WO 2009020491 и WO 2009020504 от имени Scuderi описан двигатель с разделенным циклом, имеющий блок цилиндров с цилиндром сжатия и цилиндром расширения, закрытый головкой цилиндров, в которой обеспечены один или более перепускных каналов (78), называющиеся перепуском, закрытым на соответствующих концах расположенным со стороны сжатия клапаном (84) и расположенным со стороны сгорания клапаном (86). Каждый перепускной канал образует находящуюся под давлением камеру (81), в которой может быть накоплен газ под давлением, когда расположенные со стороны сжатия клапаны и расположенные со стороны сгорания клапаны закрыты. В перепускных каналах (78) впрыск топлива обеспечивается инжектором (90), который впрыскивает топливо в сжатый воздух, находящийся в перепускных каналах. Для зажигания смеси цилиндр расширения снабжен по меньшей мере одной свечой (92) зажигания.

Даже если в приведенных выше патентных документах упоминается возможное применение системы к двигателям с воспламенением от сжатия, наблюдается, что это применение невыполнимо. В действительности в случае двигателей с воспламенением от сжатия, в отличие от случая двигателей с искровым зажиганием, впрыск в переходной канал вызвал бы в нем также зажигание топлива. Это привело бы к образованию невыносимого теплового воздействия на расположенные со стороны сжатия клапаны, что, кроме того, сделало бы снижение давления в течение прохождения воспламеняемого газа через клапан малоэффективным.

Кроме того, в двигателе, описанном в указанных документах из-за открывания находящегося со стороны сгорания клапана имеет место сильный перепад давления между цилиндром сжатия и цилиндром расширения, с последующей потерей эффективности вследствие сильной динамической потери текучей среды.

В US 6340004 описан двигатель такого же типа, как описанный выше, который обеспечивает перепускной канал, имеющий соответствующие клапаны во входном и выходном отверстиях. Кроме того, канал содержит регенератор газа сгорания для накопления части тепла цикла и использования его для последующего цикла.

В US 4157080A и в DE 2812199 описаны двигатели, которые имеют этап наддува и два поршня цилиндра сжатия и цилиндра сгорания, которые смещены друг относительно друга на 180°.

Раскрытие изобретения

Целью настоящего изобретения является создание двигателя с воспламенением от сжатия с разделенным циклом с низким выделением пыли.

Кроме того, целью настоящего изобретения является создание двигателя с воспламенением от сжатия, который вызывает низкое выделение окисей азота.

Также целью настоящего изобретения является создание двигателя с воспламенением от сжатия, позволяющего получить высокие показатели эффективности и удельной мощности.

Также целью изобретения является создание двигателя с воспламенением от сжатия для снижения перепада давления при фазе сгорания и, следовательно, шума и высокого механического воздействия, происходящих в результате таких давлений.

Кроме того, целью настоящего изобретения является создание двигателя с воспламенением от сжатия, который структурно является простым и недорогим при изготовлении.

Эти и другие задачи решаются двигателем с воспламенением от сжатия с разделенным циклом, содержащим:

- блок цилиндров, содержащий:

- цилиндр расширения, имеющий поршень расширения, который выполнен с возможностью поочередного перемещения в указанном цилиндре расширения между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством механизма коленчатого вала, выполненного с возможностью всегда приводить указанный поршень расширения в положение, соответствующее заданному углу коленчатого вала;

- цилиндр сжатия, имеющий поршень сжатия, который выполнен с возможностью поочередного перемещения в указанном цилиндре сжатия между верхней мертвой точкой (CTDC) и нижней мертвой точкой (CBDC) согласно заданному угловому фазовому смещению с задержкой по отношению к углу коленчатого вала указанного цилиндра расширения, и цилиндр сжатия расположен рядом с указанным цилиндром расширения;

- головку цилиндров, которая закрывает указанные цилиндры сжатия и расширения и в которой обеспечен по меньшей мере один перепускной канал, который соединяет указанные цилиндры и имеет образованное со стороны сжатия отверстие и образованное со стороны расширения отверстие, при этом указанная головка цилиндров содержит по меньшей мере один впускной клапан, который обращен к указанному цилиндру сжатия для впуска текучей среды, поддерживающей горение, в указанный цилиндр сжатия и по меньшей мере один выпускной клапан, который обращен к указанному цилиндру расширения для выпуска отработавшего газа, выходящего из указанного цилиндра расширения;

- по меньшей мере один перепускной клапан, расположенный в образованном со стороны сжатия отверстии перепускного канала;

- средства для обеспечения движения открытия и закрытия указанного перепускного клапана в заданные моменты переменного цикла указанных поршней;

- средства для обеспечения движения открытия и закрытия указанного выпускного клапана в заданные моменты переменного цикла указанных поршней;

- средства впрыска топлива в указанный перепускной канал или в указанный цилиндр расширения в заданные моменты переменного цикла указанных поршней так, что воспламенение от сжатия впрыснутого топлива происходит при достижении температуры воспламенения от сжатия;

отличающийся тем, что

указанный перепускной канал образует единую камеру сгорания совместно с указанным цилиндром расширения, с которым он находится в постоянном взаимодействии,

и тем, что

указанные средства для обеспечения движения открытия и закрытия указанного перепускного клапана открывают указанный перепускной клапан с опережением по отношению к углу коленчатого вала указанной ETDC, причем открывающее движение происходит с опережением более или равным 20° по отношению к углу коленчатого вала, таким образом, что:

- с момента открытия указанного перепускного клапана вплоть до достижения указанной ETDC происходит значительное уравнивание мгновенного давления между указанным цилиндром сжатия и указанным цилиндром расширения, и

- между указанной ETDC и указанной CTDC по существу происходит полный перенос указанной текучей среды, поддерживающей горение, между указанным цилиндром сжатия и указанным цилиндром расширения через указанный перепускной канал;

и тем, что указанные средства впрыска топлива впрыскивают указанное топливо, начиная с достижения указанной ETDC указанным поршнем расширения, таким образом, что указанный впрыск топлива происходит одновременно с переносом указанной текучей среды, поддерживающей горение, через указанный перепускной канал.

Таким образом, перед открытием перепускного клапана имеются, по сути, только две камеры, одна образована цилиндром сжатия и другая образована перепускным каналом в сочетании с указанным цилиндром расширения. Затем при открытии указанного перепускного клапана, которое выполняется с опережением по меньшей мере в 20° по отношению к ETDC, не происходит значительного переноса текучей среды, поддерживающей горение, в указанный перепускной канал, так как давление в цилиндре расширения примерно равно давлению в цилиндре сжатия. По мере осуществления цикла из-за связи двух цилиндров друг с другом через перепускной канал давление возрастает везде одинаково одновременным ходом подъема двух поршней до достижения ETDC. Далее, пройдя ETDC, поршень сжатия продолжает подниматься, а поршень расширения начинает снижаться, вызывая полный перенос указанной текучей среды, поддерживающей горение, между этими двумя цилиндрами через перепускной канал. Одновременно с переносом происходит впрыск и последующее сгорание всего топлива. Поскольку перенос вызывает высокую турбулентность, явления испарения и смешивания между топливом и текучей средой, поддерживающей горение, происходят лучше, чем в обычном дизельном двигателе. В частности, испарение происходит быстрее, и полученная смесь является более однородной. Таким образом, получается очень эффективное сгорание, и в образующемся отработавшем газе доза несожженных частиц, в частности, углеродосодержащей пыли, очень низкая.

Кроме того, поскольку давления между цилиндром сжатия и цилиндром расширения по существу равны или очень близки в течение переходных состояний открытия и закрытия клапана между цилиндром расширения и перепускным каналом, потеря расслоения очень низка.

В частности, средства для обеспечения движения открывания и закрывания перепускного клапана открывают перепускной клапан с опережением по отношению к углу коленчатого вала ETDC, согласно опережающему углу, установленному между -80° и -25°, в частности, между -35° и -30°.

В частности, устройства впрыска топлива выполнены с возможностью впрыска небольшого количества топлива, так называемых предварительных впрысков, с таким опережением относительно ETDC, что оно является подходящим для подогрева среды сгорания. Таким образом, предварительные впрыски позволяют гарантированно обеспечить непосредственное сгорание топлива, впрыскиваемого начиная с достижения ETDC.

Предпочтительно указанные средства для обеспечения движения открытия и закрытия указанного выпускного клапана выполнены с возможностью блокировки выпускного клапана с заданным опережением относительно достижения поршнем расширения указанной ETDC так, что в цилиндре расширения происходит сжатие части отработавшего газа вплоть до заданного давления, и средства для обеспечения движения открытия и закрытия перепускного клапана открывают перепускной клапан, когда поршень сжатия совершил сжатие текучей среды, поддерживающей горение, в цилиндре сжатия до давления, по существу равного давлению, существующему в цилиндре расширения, таким образом, что перенос указанной текучей среды, поддерживающей горение, через перепускной канал из цилиндра сжатия в цилиндр расширения и самовозгорание топлива происходит по существу в одно и то же время. Это позволяет устранить механические неисправности и напряжения, которые были бы вызваны наличием дополнительного образованного на стороне расширения перепускного клапана, расположенного в отверстии перепускного канала, обращенного к цилиндру расширения.

Таким образом, сжатая горючая смесь топлива и текучей среды, поддерживающей горение, перемещается в цилиндр сгорания на фазе сгорания через перепускной канал, после открытия перепускного клапана. Следовательно, перепускной канал имеет функцию абсолютного переноса и не является просто находящимся под давлением резервуаром для хранения текучей среды, поддерживающей горение.

В ином случае указанные средства для обеспечения движения открытия и закрытия перепускного клапана открывает перепускной клапан с опережением относительно закрытия выпускного клапана, с тем, что в цилиндре расширения происходит вымывание отработавшего газа свежей текучей средой, поддерживающей горение, перед закрытием выпускного клапана. Даже в этом случае, при закрытии выпускного клапана имеется соответствующий рост давления в двух цилиндрах сжатия и расширения, с возможностью достижения большей мощности.

Предпочтительно угловое фазовое смещение между углом коленчатого вала указанного поршня сжатия и углом коленчатого вала поршня расширения установлено между 10° и 45°, предпочтительно между 20° и 30°, в частности 25°. Угловое фазовое смещение между поршнем сжатия и поршнем расширения стремится вызвать перенос текучей среды, поддерживающей горение и сжатой цилиндром сжатия, в цилиндр расширения.

Предпочтительно имеются средства регулирования для регулировки углового фазового смещения между поршнем сжатия и поршнем расширения в зависимости от рабочих состояний двигателя.

В частности, механизм коленчатого вала содержит единственный приводной вал, который приводит в действие поршень сжатия и поршень расширения.

В качестве альтернативы механизм коленчатого вала содержит первый приводной вал, который приводит в действие поршень расширения, и второй приводной вал, который приводит в действие поршень сжатия, при этом первый и второй приводной вал соединяются друг с другом таким образом, что они сохраняют одинаковую скорость вращения.

В возможном типичном варианте реализации изобретения механизм коленчатого вала указанных поршней цилиндра сжатия и цилиндра расширения принадлежит к типу связывающего штоки главного шатуна.

В частности, средства впрыска содержат по меньшей мере один инжектор, в частности инжектор под давлением, который обращен к перепускному каналу или расположен в цилиндре расширения.

В дополнительном типичном варианте реализации настоящего двигателя обеспечиваются несколько перепускных каналов между цилиндром расширения и цилиндром сжатия, причем каждый из перепускных каналов имеет по меньшей мере один соответствующий перепускной клапан, расположенный в образованном на стороне сжатия отверстии перепускного канала, и находится в постоянной связи с цилиндром расширения. Это решение целесообразно, например, для форсированных двигателей.

Предпочтительно указанный двигатель связан с нагнетателем, который выполнен с возможностью обеспечения более высокой удельной мощности для двигателя и также лучшей термодинамической эффективности.

В частности, цилиндр сжатия и цилиндр расширения имеют одинаковый рабочий объем или различный рабочий объем, в последнем случае, предпочтительно, чтобы цилиндр расширения обладал более высоким рабочим объемом. Таким образом, получается цикл с более полным расширением.

В возможном типичном варианте реализации указанный двигатель может содержать множество цилиндров сжатия, связанных соответственно с множеством цилиндров расширения, различным образом расположенных и соединенных друг с другом.

В возможном типичном варианте реализации указанный перепускной канал обеспечивает регулирующий элемент, который выполнен с возможностью регулировки поперечного сечения и/или объема указанного перепускного канала, для приведения его в соответствие с различными рабочими состояниями двигателя.

В частности, указанный регулирующий элемент может быть выполнен в виде болта или лопатки.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет разъяснено в следующем описании типичного варианта его реализации, служащего в качестве примера, а не ограничения, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

- фигура 1 схематически показывает поперечное сечение типичного варианта реализации двигателя с воспламенением от сжатия, согласно изобретению, в фазе цикла двигателя;

- фигура 2 схематически показывает поперечное сечение типичного варианта реализации двигателя с воспламенением от сжатия в следующей фазе цикла двигателя;

- фигура 3 показывает график давлений, соответствующих углу коленчатого вала механизма коленчатого вала, где около ETDC указаны моменты открытия и закрытия клапанов и фазовые смещения впрыска топлива;

- фигура 4 схематически показывает поперечное сечение типичного варианта реализации двигателя с Фиг. 1, имеющего нагнетатель наддува.

Описание некоторых предпочтительных типичных вариантов реализации изобретения

В соответствии с Фиг. 1 и 2, двигатель 100 с воспламенением от сжатия с разделенным циклом согласно изобретению содержит блок 200 цилиндров с цилиндром 6 расширения, связанным с соответствующим поршнем 7 расширения, который выполнен с возможностью поочередного перемещения между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой в цилиндре 6 расширения за счет механизма 20 коленчатого вала. В частности, механизм 20 коленчатого вала приводит поршень 7 расширения в заданное положение, постоянно соответствующее заданному углу коленчатого вала. В частности, как показано на Фиг. 3, ETDC поршня 7 расширения соответствует углу коленчатого вала 0°.

Кроме того, блок 200 цилиндров содержит цилиндр 2 сжатия, связанный с соответственным поршнем 1 сжатия, который выполнен с возможностью поочередного перемещения между верхней мертвой точкой (CTDC) и нижней мертвой точкой (CBDC) в цилиндре 2 сжатия согласно заданной задержке относительно угла коленчатого вала поршня 7 расширения. Поршень 1 сжатия, в свою очередь, связан с механизмом 20 коленчатого вала кривошипным элементом 7а. Цилиндр 6 расширения расположен смежно с цилиндром 2 сжатия. А именно, цилиндр 2 сжатия и цилиндр 6 расширения имеют одинаковый рабочий объем, или, в ином случае они могу иметь различный рабочий объем. В последнем случае предпочтительно, чтобы более высокий рабочий объем соответствовал цилиндру 6 расширения.

Кроме того, блок 200 цилиндров содержит головку 30 цилиндров, которая закрывает цилиндры 2 и 6 и в которой образован по меньшей мере один перепускной канал 5, который соединяет эти два цилиндра 2/6 и содержит образованное на стороне сжатия отверстие 5а по направлению к цилиндру 2 сжатия и образованное на стороне расширения отверстие 5b по направлению к цилиндру 6 расширения. Кроме того, головка 30 цилиндров содержит по меньшей мере один впускной клапан 3, который обращен к цилиндру 2 сжатия для впуска текучей среды, поддерживающей горение - например, воздуха - в цилиндр 2 сжатия, и выпускной клапан 9, который обращен к цилиндру 6 расширения для выпуска отработанного газа на выходе цилиндра 6 расширения. А именно, впускной клапан 3 избирательно открывает/закрывает впускной канал 13, тогда как выпускной клапан 9 избирательно открывает/закрывает выпускной канал 19.

В частности, в перепускном канале 5 перепускной клапан 4 располагается в образованном на стороне сжатия отверстии 5а, тогда как образованное на стороне расширения отверстие 5b находится в постоянной связи с цилиндром 6 расширения, с которым оно формирует единую среду 6а сгорания. На другой стороне, вторую среду 2а определяет только один цилиндр 2 сжатия. Таким образом, между цилиндром 6 расширения и перепускным каналам отсутствуют какие-либо клапаны.

Кроме того, двигатель 100 содержит средства для обеспечения движения по открытию и закрытию перепускного клапана 4 в заданные моменты переменного цикла поршней 1/7, в частности, по фазам соответственно при сжатии в цилиндре 2 сжатия и при расширении в цилиндре 6 расширения.

Кроме того, имеются средства для обеспечения движения по открытию и закрытию выпускного клапана 9 в заданные моменты переменного цикла поршней 1/7, что подробно описано ниже.

В частности, средства для обеспечения движения по открытию и закрытию перепускного клапана 4 и средства для обеспечения движения по открытию и закрытию выпускного клапана 9 и впускного клапана 3 включают в себя, например, механизм, содержащий распределительный вал (не показан), который принимает инициирующее движение от механизма 20 коленчатого вала и позволяет осуществить соответствующее фазирование чередуемого движения двух поршней 1/7, с движением открытия и закрытия клапанов 3/4 и 9. В частности, механизм 20 коленчатого вала содержит единственный вал 21, который функционирует посредством кривошипных элементов 1а и 7а соответствующих поршней 1 и 7, как показано на Фиг. 1, 2 и 4. В возможном типичном варианте реализации, механизм 20 коленчатого вала поршней 1 и 7 принадлежит к типу связывающего штоки главного шатуна.

В ином случае, не показанном на чертежах, механизм 20 коленчатого вала включает в себя первый приводной вал, который приводит в движение поршень расширения и второй приводной вал, который приводит в движение поршень сжатия. Первый и второй приводные валы соединены друг с другом так, что они сохраняют одинаковую скорость вращения.

Кроме того, в перепускном канале 5 имеются средства 8 впрыска для впрыска топлива в перепускной канал 5 или в цилиндр 6 расширения в заданные моменты переменного цикла поршней 1/7, с тем, что воспламенение от сжатия впрыснутого топлива 8а (Фиг. 2) происходит при достижении температуры воспламенения от сжатия. А именно, средства впрыска содержат по меньшей мере один инжектор 8, в частности, инжектор под давлением, который обращен к перепускному каналу 5 или цилиндру 6 расширения.

В частности, в цикле двигателя, как показано на Фиг. 3, перепускной клапан 4 открывается с опережением до 20° или более по отношению к углу коленчатого вала ETDC, при движении на открытие угла коленчатого вала, в частности, с опережающим на 30° движением открытия, как показано на диаграмме Фиг. 3. А именно, перепускной клапан 4 открывается с опережением по отношению к углу коленчатого вала ETDC, согласно углу опережения, установленному между -80° и -25°, в частности между -35° и -30°. Таким образом, между моментом открывания перепускного клапана 4 вплоть до достижения ETDC имеет место значительное уравнивание мгновенного давления между цилиндром сжатия и цилиндром расширения, и между ETDC и CTDC происходит, по существу, полный перенос текучей среды, поддерживающей горение, между цилиндром 2 сжатия и цилиндром 6 расширения через перепускной канал 5.

Кроме того, инжектор 8 впрыскивает топливо, начиная с достижения нижней мертвой точки поршнем 7 расширения, так что этот этап впрыска топлива происходит одновременно с переносом текучей среды, поддерживающей горение, через перепускной канал 5.

Таким образом, перед открытием перепускного клапана 4, существует по сути только две среды 2а и 6а, одна образована цилиндром 2 сжатия, а другая образована перепускным каналом 5, который определяет единую общую среду 6а вместе с цилиндром 6 расширения. Далее, при открытии перепускного клапана 4, которое выполняется с опережением по меньшей мере в 20° по отношению к ETDC, отсутствует значительный перенос текучей среды, поддерживающей горение, в перепускном канале 5, так как давление в цилиндре 2 сжатия стремится сравняться с давлением в цилиндре 6 расширения. С продвижением цикла, поскольку два цилиндра сообщаются друг с другом через перепускной канал 5, давление увеличивается до известной повсеместно степени, как показано на Фиг. 3, одновременным поднимающим ходом двух поршней (Фиг. 2), вплоть до достижения ETDC. Затем, пройдя ETDC, поршень 1 сжатия продолжает подниматься, а поршень 7 расширения начинает снижаться, вызывая полный перенос текучей среды, поддерживающей горение, между двумя цилиндрами через перепускной канал 5. Одновременно с переносом, выполняется впрыск 8а (Фиг. 2) и происходит последующее воспламенение всего топлива. Поскольку перенос вызывает высокую турбулентность, процессы испарения и смешивания между топливом и текучей средой, поддерживающей горение, происходят лучше, чем в обычном дизельном двигателе. В частности, испарение осуществляется быстрее, а полученная смесь является более однородной. Отсюда получается очень эффективное сгорание, и последующая очень низкая доля несожженных частиц, в частности, углеродосодержащей пыли, выделяется в выхлопном газе.

Кроме того, инжектор 8 может обеспечивать впрыск небольшого количества топлива, так называемый предварительный впрыск, с опережением по отношению к ETDC так, что он подвергает среду 6а сгорания предварительному нагреву. Таким образом, предварительные впрыски позволяют гарантированно обеспечить успешное непосредственное воспламенение загрузочной дозы топлива, которая впрыскивается начиная с достижения ETDC.

Согласно предпочтительному циклу двигателя устройства для обеспечения движения на открытие и закрытие выпускного клапана выполнены с возможностью блокирования выпускного клапана 9 с заданным опережением относительно достижения поршнем расширения нижней мертвой точки, так, что в цилиндре 6 расширения происходит сжатие части отработавшего газа до заданного давления, и устройства для обеспечения движения на открытие и закрытие перепускного клапана 4 открывают перепускной клапан 4, когда поршень 1 сжатия выполнил сжатие текучей среды, поддерживающей горение, в цилиндре 2 сжатия до давления, по существу равного давлению в цилиндре 6 расширения, так, что перенос текучей среды, поддерживающей горение, осуществляется через перепускной канал 5 цилиндром 2 сжатия в цилиндр 6 расширения и самовоспламенение топлива происходит одновременно. Таким образом, сжатая смесь топлива и текучей среды, поддерживающей горение, перемещается в цилиндр 6 расширения в течение фаза горения через перепускной канал 5, после открытия перепускного клапана 4. Следовательно, перепускной канал имеет функцию абсолютного переноса и не является резервуаром для хранения текучей среды, поддерживающей горение и находящейся под давлением. Это позволяет устранить потерю расслоения благодаря наличию дополнительного перепускного клапана, расположенного в открывающемся перепускном канале 5 по направлению к цилиндру 6 расширения, как в двигателях известного типа.

Кроме того, в перепускном канале 5 может быть обеспечен элемент регулирования, который не показан, для регулировки изменения рабочих состояний двигателя, в частности, этот регулирующий элемент может быть выполнен в виде болта или лопатки.

Другими словами, в течение работы двигателя, как показано на Фиг. 1, вследствие движения вниз поршня 1 сжатия, некоторое количество воздуха вводится в цилиндр 2 сжатия через впускной клапан 3 и впускной канал 13.

Далее, как показано на Фиг. 2, следует этап закрывания впускного клапана 3, и происходит сжатие текучей среды, поддерживающей горение, которая может представлять собой воздух или воздух, смешанный с отработавшим газом, который, как известно, позволяет снизить NOx (окислы азота). Он также может представлять собой требуемый инертный газ, обогащенный кислородом.

В результате подъема поршня 1 сжатия и поршня 7 расширения с соответствующим временем, как описано выше, перепускной клапан 4, расположенный на выходе цилиндра 2 сжатия, открывается таким образом, что текучая среда, поддерживающая горение, перетекает через перепускной канал 5 в цилиндр 6 расширения, чей поршень 7 расширения движется с подходящим угловым фазовым смещением, с задержкой по отношению к поршню 1 сжатия.

Во время хода вниз поршня 7 расширения в цилиндре 6 расширения, с соответствующим временем, как описано выше, перепускной клапан 4 закрывается. В результате спуска поршня 7 расширения, в цилиндре 6 расширения происходит этап расширения, тогда как в цилиндре 2 сжатия начинается этап впуска. После завершения этапа расширения в цилиндре 6 расширения, выпускной клапан 9 открывается, для открытия выпускного канала 19, через который выпускается отработавший газ, и клапан остается открытым подходящее время в течение хода подъема поршня 7 расширения в цилиндре 6 расширения.

В частности, угловое фазовое смещение между углом коленчатого вала поршня 1 сжатия относительно угла коленчатого вала поршня 7 расширения установлено между 10° и 45°, предпочтительно между 20° и 30°, в частности 25°. Угловое фазовое смещение между поршнями 1/7 предусмотрено вызвать полный перенос текучей среды, поддерживающей горение и сжатой цилиндром 2 сжатия, в цилиндр 6 расширения.

Кроме того, могут быть обеспечены средства для регулировки углового фазового смещения между поршнем 1 сжатия и поршнем 7 расширения в зависимости от рабочих состояний двигателя.

А именно, как показано на Фиг. 3, угловое фазовое смещение между углом коленчатого вала поршня 1 сжатия и углом коленчатого вала поршня 7 возгорания является таким, что весь или часть процесса сгорания протекает при переносе текучей среды, поддерживающей горение, из цилиндра 2 сжатия в цилиндр 6 расширения.

Более того, на диаграмме на Фиг. 3 очевидно, насколько низким является перепад давлений между цилиндром 2 сжатия и цилиндром 6 расширения в течение всего этапа между открытием и закрытием перепускного клапана 4 и, в частности, два давления идентичны также перед открытием перепускного клапана 4, вследствие описанного опережающего закрытия выпускного клапана 9. Продолжение процесса с очень близкими значениями давлениями в цилиндре 2 сжатия и в цилиндре 6 расширения снижает потерю давления на расслоения в течение переходных состояний открытия и закрытия перепускного клапана 4 между перепускным каналом 5 и цилиндром 2 сжатия.

В ином случае, не показанном на чертежах, перепускной клапан 4 может открываться с опережением по отношению к закрыванию выпускного клапана 9, с обеспечением в цилиндре 6 расширения вымывания отработавшего газа свежим воздухом перед закрытием выпускного клапана 9. Даже в этом случае, при закрытии выпускного клапана 9 имеет место возрастание давления в двух цилиндрах расширения 6 и сжатия 2, с возможностью достижения большей мощности.

В частности, двигатель 100 использует решение разделенного цикла, согласно которому этапы впуска и сжатия выполняются в среде, отличающейся от той, в которой происходят этапы сгорания и выпуска (цилиндр 6 расширения). Двигатель работает по принципу постепенной подачи в цилиндр 6 расширения в течение этапа сгорания смеси топлива 8а, вводимой инжектором 8, и находящейся под давлением текучей среды, поддерживающей горение, для достижения в результате снижения выбросов пыли и окисей азота по отношению к значениям, типичным для традиционного двигателя с воспламенением от сжатия. Перенос текучей среды, поддерживающей горение, в цилиндр 6 расширения выполняется только открытием клапана 4, который обращен к цилиндру сжатия, и через перепускной канал 5, в котором или после которого впрыскивается топливо 8а.

Ввиду особенности введения топлива и текучей среды, поддерживающей горение, в цилиндр 6 расширения, двигатель 100 обеспечивает низкие выбросы пыли и окисей азота и может работать с хорошей эффективностью возгорания даже при скорости выше, чем максимум, допустимый в обычных двигателях с воспламенением от сжатия.

Кроме того, как показано на Фиг. 4, двигатель 100 может быть оснащен наддувом, например, турбонагнетателем 10, содержащим турбину 10а и компрессор 10b типа, подобного тем, которые применяются в традиционных двигателях с воспламенением от сжатия, для повышения удельной мощности самого двигателя. В этом случае могут использоваться создаваемые наддувом давления, которые выше, чем максимальные допустимые давления в традиционных двигателях с воспламенением от сжатия, так как в двигателе 100 значение перепада давления в течение сгорания ниже, чем значения, характерные для обычных двигателей с воспламенением от сжатия.

В дополнительных типичных вариантах реализации двигателя, может быть обеспечено больше перепускных каналов 5 между цилиндром 6 расширения и цилиндром 2 сжатия, причем каждый перепускной канал 5 имеет по меньшей мере один соответствующий перепускной клапан 4, расположенный во входном отверстии перепускного канала 5 со стороны цилиндра 2 сжатия, и находится в постоянной связи с цилиндром 6 расширения. Такое решение целесообразно, например, для форсированных двигателей.

Таким же образом для впуска в цилиндре сжатия, а также для выпуска из цилиндра расширения, может быть обеспечено больше впускных и выпускных клапанов, связанных с соответствующими впускными и выпускными каналами.

Дополнительный типичный вариант реализации двигателя, не показанный на чертежах, может содержать множество цилиндров сжатия, связанных соответственно с множеством цилиндров расширения, расположенных и объединенных друг с другом в различных конфигурациях.

Предшествующее описание конкретного варианта реализации настолько подробно раскроет изобретение согласно концептуальной точке зрения, что третие лица, применяя настоящие знания, смогут изменить и/или приспособить для различных применений такой вариант реализации без дополнительного исследования и не отходя от изобретения, и, таким образом, следует понимать, что такие видоизменения и модификации должны будут рассматриваться как эквивалентные конкретному варианту реализации. Средства и материалы для реализации различных функций, описанных в настоящем документе, могли быть различного рода, что не означает отступление от области настоящего изобретения. Следует понимать, что формулировки или терминология, используемые в настоящем документе, служат описанию, а не ограничению настоящего изобретения.

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является снижение токсичности продуктов сгорания и повышение эффективности работы двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель (100) с воспламенением от сжатия с разделенным циклом содержит: блок (200) цилиндров с цилиндром (6) расширения, имеющим поршень (7) расширения, который выполнен с возможностью поочередного перемещения механизма (20) коленчатого вала между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой, который приводит поршень (7) расширения в заданное положение, соответствующее заданному углу коленчатого вала; цилиндром (2) сжатия, имеющим поршень (1) сжатия, который выполнен с возможностью поочередного перемещения между CTDC и CBDC согласно заданному угловому фазовому смещению с задержкой к поршню (7) расширения. Головка (30) цилиндров закрывает цилиндры и содержит перепускной канал (5) с отверстием (5а), находящимся в постоянной связи с цилиндром (2) сжатия и отверстием (5b), имеющим перепускной клапан (4) к цилиндру (6) расширения, впускной клапан (3) и выпускной клапан (9); средства для открывания/закрывания перепускного клапана (4); средства для открывания/закрывания выпускного клапана (9) в заданные моменты переменного цикла поршней и топливный инжектор (8) в перепускном канале (5). Перепускной клапан (4) открывается с опережением на 20° или более угла коленчатого вала относительно угла коленчатого вала ETDC, таким образом, что с момента открытия вплоть до достижения ETDC имеет место существенное выравнивание давления между цилиндрами, таким образом, что между ETDC и CTDC происходит перенос текучей среды, поддерживающей горение, между двумя цилиндрами, и таким образом, что инжектор (8) впрыскивает топливо (8а), начиная с момента достижения ETDC. 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Двигатель с воспламенением от сжатия с разделенным циклом, содержащий:
- блок цилиндров, содержащий
- цилиндр расширения, имеющий поршень расширения, который выполнен с возможностью поочередного перемещения в цилиндре расширения между верхней мертвой точкой (ETDC) и нижней мертвой точкой (EBDC) посредством механизма коленчатого вала, выполненного с возможностью всегда приводить поршень расширения в заданное положение, соответствующее заданному углу коленчатого вала;
- цилиндр сжатия, который имеет поршень сжатия, выполненный с возможностью поочередного перемещения в цилиндре сжатия между верхней мертвой точкой (CTDC) и нижней мертвой точкой (CBDC) в соответствии с заданным угловым фазовым смещением с задержкой по отношению к углу коленчатого вала цилиндра расширения и который расположен смежно с цилиндром расширения;
- головку цилиндров, закрывающую цилиндры сжатия и расширения и содержащую по меньшей мере один перепускной канал, соединяющий указанные цилиндры и содержащий образованное на стороне сжатия отверстие и образованное на стороне расширения отверстие, при этом указанная головка цилиндров содержит по меньшей мере один впускной клапан, обращенный к цилиндру сжатия и предназначенный для ввода в него текучей среды, поддерживающей горение, и по меньшей мере один выпускной клапан, обращенный к цилиндру расширения и предназначенный для выпуска отработавшего газа, выходящего из него,
кроме того, указанный двигатель дополнительно содержит
- по меньшей мере один перепускной клапан, расположенный в образованном на стороне сжатия отверстии перепускного канала;
- средства для обеспечения перемещения перепускного клапана, обеспечивающего его открытие и закрытие, в заданные моменты переменного цикла указанных поршней;
- средства для обеспечения перемещения выпускного клапана, обеспечивающего его открытие и закрытие, в заданные моменты переменного цикла указанных поршней;
- средства впрыска топлива в перепускной канал или в цилиндр расширения в заданные моменты переменного цикла указанных поршней с воспламенением впрыснутого топлива от сжатия при достижении температуры самовоспламенения;
отличающийся тем, что
перепускной канал определяет единую камеру сгорания совместно с цилиндром расширения, с которым он постоянно сообщается,
причем
средства для обеспечения перемещения перепускного клапана выполнены с возможностью открытия перепускного клапана с опережением по отношению к углу коленчатого вала, соответствующему верхней мертвой точке (ETDC) с обеспечением опережения перемещения, обеспечивающего открытие, на 20° или более по отношению к углу коленчатого вала, так что
- обеспечено по существу уравнивание мгновенного давления между указанным цилиндром сжатия и указанным цилиндром расширения с момента открытия перепускного клапана до достижения верхней мертвой точки (ETDC), и
- обеспечен по существу полный перенос текучей среды, поддерживающей горение, между цилиндром сжатия и цилиндром расширения через перепускной канал между верхней мертвой точкой (ETDC) и верхней мертвой точкой (CTDC), а
средства впрыска выполнены с возможностью впрыска топлива с момента достижения поршнем расширения верхней мертвой точки (ETDC) с обеспечением впрыска топлива одновременно с переносом текучей среды, поддерживающей горение, через перепускной канал.

2. Двигатель по п. 1, в котором средства для обеспечения перемещения перепускного клапана, обеспечивающего его открытие и закрытие, открывают перепускной клапан с опережением по отношению к углу коленчатого вала верхней мертвой точки (ETDC), с опережающим перемещением открытия, установленным между 80° и - 25°, в частности между - 35° и - 30°.

3. Двигатель по п. 1, в котором средства впрыска топлива выполнены с возможностью впрыска небольшого количества топлива, так называемых предварительных впрысков, с опережением по отношению к верхней мертвой точке (ETDC) для подогрева среды сгорания.

4. Двигатель по п. 1, в котором средства для обеспечения перемещения выпускного клапана, обеспечивающего его открытие и закрытие, выполнены с возможностью блокирования указанного выпускного клапана с заданным углом опережения относительно достижения поршнем расширения верхней мертвой точки (ETDC), так что в цилиндре расширения происходит сжатие части отработавшего газа до достижения заданного давления, и средства для обеспечения перемещения перепускного клапана, обеспечивающего его открытие и закрытие, открывают указанный перепускной клапан, когда поршень сжатия осуществил сжатие текучей среды, поддерживающей горение, в цилиндре сжатия до давления, по существу равного давлению в цилиндре расширения, так что перенос указанной текучей среды, поддерживающей горение, осуществлен через перепускной канал из цилиндра сжатия в цилиндр расширения, а самовоспламенение топлива происходит по существу в одно и то же время, в частности, указанное заданное закрытие происходит с углом опережения указанного выпускного клапана относительно верхней мертвой точки (ETDC), равным по меньшей мере 40°.

5. Двигатель по п. 1, в котором указанное угловое фазовое смещение между углом коленчатого вала поршня сжатия и углом коленчатого вала поршня расширения установлено между 10° и 45°, предпочтительно между 20° и 30°, в частности 25° и, в частности, содержащий регулирующие средства для регулировки указанного углового фазового смещения между поршнем сжатия и поршнем расширения в зависимости от рабочих состояний двигателя.

6. Двигатель по п. 1, в котором средства для обеспечения перемещения перепускного клапана, обеспечивающего его открытие и закрытие, открывают указанный перепускной клапан с опережением по отношению к закрытию выпускного клапана, так что в цилиндре сжатия происходит вымывание отработавшего газа свежей текучей средой, поддерживающей горение, перед закрытием выпускного клапана, а при закрытии выпускного клапана происходит рост давления в двух цилиндрах расширения и сжатия для достижения высокой мощности.

7. Двигатель по п. 1, в котором механизм коленчатого вала содержит единственный приводной вал, приводящий в движение поршень сжатия и поршень расширения.

8. Двигатель по п. 1, в котором механизм коленчатого вала содержит первый приводной вал, приводящий в движение поршень расширения, и второй приводной вал, приводящий в движение поршень сжатия, причем первый и второй приводной вал соединены друг с другом, сохраняя одинаковую скорость вращения.

9. Двигатель по п. 1, в котором механизм коленчатого вала поршней цилиндра сжатия и цилиндра расширения относится к типу связывающего штоки главного шатуна.

10. Двигатель по п. 1, в котором между цилиндром расширения и цилиндром сжатия выполнено несколько перепускных каналов, каждый из которых имеет по меньшей мере один соответствующий перепускной клапан, расположенный в образованном на стороне сжатия отверстии перепускного канала, и находится в постоянной связи с указанным цилиндром расширения.

11. Двигатель по п. 1, в котором для впуска в цилиндр сжатия, а также для выпуска из цилиндра расширения выполнено больше впускных и выпускных клапанов, связанных с соответствующими впускными и выпускными каналами.

12. Двигатель по п. 1, связанный с нагнетателем наддува, выполненным с возможностью достижения более высокой удельной мощности двигателя и лучшей термодинамической эффективности.

13. Двигатель по п. 1, в котором цилиндр сжатия и цилиндр расширения имеют одинаковый рабочий объем или различный рабочий объем, в частности в случае различного рабочего объема более высокий рабочий объем находится в цилиндре расширения.

14. Двигатель по п. 1, содержащий множество цилиндров сжатия, связанных соответственно с множеством цилиндров расширения, расположенных и объединенных друг с другом определенным способом.

15. Двигатель по п. 1, в котором перепускной канал образует регулирующий элемент, выполненный с возможностью регулировки поперечного сечения и/или объема перепускного канала для приведения его в соответствие с различными рабочими состояниями двигателя, в частности указанный регулирующий элемент выполнен в виде болта или лопатки.