СПОСОБ РАБОТЫ ШЕСТИТАКТНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2016 года по МПК F02B75/02 F02B29/06 

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания с установленным передаточным отношением распределительного и коленчатого валов.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, передаточное отношение распределительного и коленчатого валов которого составляет 1:2, включающий подачу в цилиндр заряда воздуха и топлива, его сжатие, воспламенение электрической искрой, сгорание, расширение и выпуск отработавших газов (см. С.В. Демиховский и др. Устройство и эксплуатация автомобилей «Жигули» и «Москвич», М., изд. ДОСААФ, 1985, стр. 12-15).

Недостатком указанного способа является то, что степень сжатия заряда воздуха и топлива небольшая и его невозможно преобразовать в однородную газовую смесь горючего и окислителя, капли топлива получаются разной фракции, и если мелкие испаряются и окисляются в процессе горения, то крупные не успевают и отдают свою энергию частично, а часть их в виде испарения и полусгоревшего топлива (СО) уходит в атмосферу, засоряя окружающую среду. Кроме того, осуществление зажигания до окончания такта сжатия создает встречное сопротивление, на что уходит 10-20% мощности сгорания.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания передаточное отношение распределительного и коленчатого валов которого составляет 1:3 (см. патент РФ на изобретение №2169850, МПК: F02B 75/02, заявлено 10.08.1999 г., опубликовано 27.06.2001 г.). Цикл работы этого двигателя включает подачу заряда воздуха в цилиндр (такт 1), сжатие заряда воздуха, впрыскивание топлива в цилиндр, первое сжатие смеси топлива и воздуха (такт 2), преобразование смеси топлива и воздуха в газовую горючую смесь при холостом ходе поршня (такт 3), второе сжатие газовой горючей смеси (такт 4), воспламенение электрической искрой, сгорание, расширение (такт 5) и выпуск отработавших газов (такт 6).

В такте 2 сначала происходит сжатие заряда воздуха, при котором давление и температура в цилиндре повышаются. Затем впрыскивают топливо, которое в виде мелких капель (брызг) во взвешенном состоянии должно смешиваться с уплотненным зарядом воздуха. Если впрыскивание топлива происходит в недостаточно уплотненный воздух (преждевременное впрыскивание), брызги топлива могут собираться в крупные капли и стекать по стенкам цилиндра. Если впрыскивание происходит в значительно уплотненный и имеющий высокую температуру воздух (запоздалое впрыскивание), в результате трения капель о плотный слой воздуха может произойти самовоспламенение топлива. Отсюда следует, что несвоевременность впрыскивания топлива снижает надежность работы двигателя. В конце такта 2 степень первого сжатия смеси воздуха и топлива достигает 10-12, и смесь нагревается до 350-450°. При холостом ходе поршня (такт 3), при его движении от верхней мертвой точки (ВМТ) к нижней мертвой точке (НМТ), происходит испарение частиц топлива и образование газовой горючей смеси, которая вновь сжимается до той же степени сжатия при движении поршня от НМТ к ВМТ (такт 4). Преобразование топливной смеси в газовую горючую смесь обеспечивает качественное сгорание топлива и уменьшение токсичности выхлопных газов. Теоретически в двигателе может быть использовано различное топливо: легкое (бензин, керосин) и тяжелое (дизельное топливо). Однако, работа двигателя со степенью сжатия 10-12 не эффективна, топливо сгорает полностью, но с недостаточным давлением на поршень, а значит, с потерей мощности и увеличенным расходом топлива.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является увеличение степени сжатия газовой горючей смеси при неизменных габаритах камеры сгорания для повышения эффективности и экономичности работы двигателя, обеспечения надежности работы на любых видах топлива: легком (бензин разных марок, керосин, растворители, спирты, газовое топливо - пропан), тяжелом (солярка, нефть, мазут, биотопливо), обеспечения качественного сгорания топлива и снижения токсичности выхлопных газов.

Поставленная задача решается тем, что в способе работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания с передаточным отношением распределительного и коленчатого валов 1:3, включающем подачу заряда воздуха в цилиндр, его сжатие, впрыскивание топлива в цилиндр, первое сжатие смеси воздуха и топлива, преобразование смеси воздуха и топлива в газовую горючую смесь при холостом ходе поршня, второе сжатие газовой горючей смеси, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработавших газов, при холостом ходе поршня и в такте второго сжатия газовой горючей смеси в цилиндр подают дополнительный заряд воздуха, а топливо впрыскивают в такте первого сжатия после поворота коленчатого вала на 145-147° от начала такта, при этом дополнительный заряд воздуха подают под давлением 3-4 кг/см² через нагнетающий клапан, режим работы которого настраивают в зависимости от вида используемого топлива и требуемой степени сжатия газовой горючей смеси, а тяжелое топливо впрыскивают в два этапа: 90-95% - в такте первого сжатия смеси воздуха и топлива и 5-10% - в такте второго сжатия газовой горючей смеси после поворота коленчатого вала на 170-173° от начала такта.

На чертеже (Фиг. 1) схематично изображен двигатель внутреннего сгорания для осуществления предлагаемого способа.

Двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1 с поршнем 2, механически связанным с коленчатым валом 3, который, в свою очередь, через механизм передачи 4 с передаточным отношением 3:1 связан с распределительным валом 5. Цикл работы двигателя совершается за три оборота коленчатого вала 3 и один оборот распределительного вала 5 и включает шесть тактов. На распределительном валу 5 расположены кулачки 6, взаимодействующие с впускным 7, выпускным 8 и нагнетающим 9 клапанами, открывающие и закрывающие их в нужные моменты. В головке цилиндра установлены свеча зажигания 10 для воспламенения легкого топлива и форсунка 11 для впрыска и воспламенения тяжелого топлива.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

Такт 1. Впуск. Поршень 2 движется от ВМТ к НМТ. Через открытый впускной клапан 7 в цилиндр 1 поступает заряд воздуха. При этом в течение поворота коленчатого вала 3 на 30° от начала такта остаются открытыми выпускной 8 и нагнетающий 9 клапаны.

Такт 2. Сжатие 1. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. После поворота коленчатого вала 3 от начала такта на 45° впускной клапан 7 закрывается. Находящийся в цилиндре 1 воздух сжимается, его температура и давление в цилиндре 1 повышаются. Затем впрыскивают топливо. Опытным путем установлено, что топливо целесообразно впрыскивать после поворота коленчатого вала 3 на 145-147°, так как в этом положении поршня 2 плотность сжатия воздуха и его температура обеспечат взвешенное состояние капель топлива без воспламенения. При работе двигателя на легком топливе в цилиндр 1 впрыскивают всю порцию топлива, расходуемого в цикле работы двигателя, а при работе двигателя на тяжелом топливе - 90-95% расходуемого в цикле топлива. Далее происходит сжатие смеси капель топлива с воздухом, при этом капли топлива начинают испаряться, переходить в газообразное состояние, образуя газовую смесь с воздухом. Степень сжатия для легкого топлива в этом такте - 9-10, для тяжелого топлива - 14-15.

Такт 3. Холостой ход. Поршень 2 движется от ВМТ к НМТ. Частицы топлива продолжают испаряться, происходит диффузия газообразного топлива в воздух, образуется газовая горючая смесь. При опускании поршня 2 давление в цилиндре 1 падает, и, когда оно достигнет 1,5-2 кг/см², открывается нагнетающий клапан 9, и в цилиндр 1 подается воздух под давлением 3-4 кг/см². Это происходит после поворота коленчатого вала 3 примерно на 90° от начала такта.

Такт 4. Сжатие 2. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. Воздух от нагнетающего клапана 9 продолжает поступать в цилиндр 1 до тех пор, пока давление в цилиндре 1 не превысит давление воздуха, выходящего из клапана 9, после чего нагнетающий клапан 9 закрывается. Это происходит после поворота коленчатого вала 3 от начала такта примерно на 90°. Общее количество поданного в тактах 3 и 4 дополнительного воздуха определяется величиной степени сжатия, которую необходимо получить в камере сгорания, сжимая увеличенный за счет дополнительного заряда воздуха объем газовой горючей смеси. Режим работы нагнетающего клапана 9 (его открытие и закрытие) настраивается в зависимости от вида используемого топлива. Так, степень сжатия газовой горючей смеси в конце такта для легкого топлива может быть увеличена до 16, для тяжелого топлива - до 20. Воспламенение легкого топлива происходит от свечи зажигания 10 после поворота коленчатого вала 3 на 165-175° от начала такта. При работе на тяжелом топливе после поворота коленчатого вала 3 на 170-172° от начала такта «сжатие 2» в цилиндр 1 форсункой 11 впрыскивают оставшиеся 5-10% топлива для воспламенения горючей смеси.

Такт 5. Рабочий ход. Поршень 2 движется от ВМТ к НМТ. Давление в цилиндре 1 при сгорании как легкого, так и тяжелого топлива составляет 140-160 кг/см², температура сгорания - около 3000°, скорость сгорания - более 100 м/с. Топливо сгорает в течение поворота коленчатого вала 3 на 20-25° от начала такта, происходит полное сгорание топлива без образования угарного газа. Поршень 2 совершает рабочий ход, открывается выпускной клапан 8 и отработавшие газы уходят в атмосферу.

Такт 6. Выхлоп. Поршень 2 движется от НМТ к ВМТ. Оставшиеся в цилиндре 1 газы поршень 2 выталкивает в атмосферу. После поворота коленчатого вала 3 на 150° от начала такта вновь открывается нагнетающий клапан 9 для продувки цилиндра 1 воздухом под давлением 3-4 кг/см². Выпускной 8 и нагнетающий 9 клапаны закрываются в начале первого такта «впуск» после поворота коленчатого вала 3 на 30° от начала первого такта.

Предлагаемый способ работы двигателя внутреннего сгорания двойного сжатия за счет возможности увеличивать степень сжатия обеспечивает надежную работу на любом виде топлива: легком, тяжелом, газообразном, позволяет повысить мощность двигателя, его экономичность и экологичность. Коэффициент полезного действия двигателя, работающего предлагаемым способом, составляет 45-50%.

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к шеститактным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение эффективности работы двигателя на различных видах топлива. Сущность изобретения заключается в том, что в шеститактном двигателе осуществляют подачу воздуха в цилиндр 1, его сжатие, впрыскивание топлива, первое сжатие смеси воздуха и топлива, преобразование смеси воздуха и топлива в газовую горючую смесь при холостом ходе поршня 2, второе сжатие газовой горючей смеси, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработавших газов. При холостом ходе поршня 2 и в такте второго сжатия газовой горючей смеси в цилиндр 1 подают дополнительный заряд воздуха под давлением 3-4 кг/см² через нагнетающий клапан 9, режим работы которого настраивают в зависимости от вида используемого топлива и требуемой степени сжатия газовой горючей смеси. Топливо впрыскивают в такте первого сжатия после поворота коленчатого вала 3 на 145-147° от начала такта, причем тяжелое топливо впрыскивают в два этапа: 90-95% - в такте первого сжатия смеси воздуха и топлива и 5-10% - в такте второго сжатия газовой горючей смеси после поворота коленчатого вала 3 на 170-173° от начала такта. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ работы шеститактного двигателя внутреннего сгорания с передаточным отношением распределительного и коленчатого валов 1:3, включающий подачу заряда воздуха в цилиндр, его сжатие, впрыскивание топлива в цилиндр, первое сжатие смеси воздуха и топлива, преобразование смеси воздуха и топлива в газовую горючую смесь при холостом ходе поршня, второе сжатие газовой горючей смеси, воспламенение, сгорание, расширение и выпуск отработавших газов, отличающийся тем, что при холостом ходе поршня и в такте второго сжатия газовой горючей смеси в цилиндр подают дополнительный заряд воздуха, а топливо впрыскивают в такте первого сжатия после поворота коленчатого вала на 145-147° от начала такта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный заряд воздуха подают под давлением 3-4 кг/см² через нагнетающий клапан, режим работы которого настраивают в зависимости от вида используемого топлива и требуемой степени сжатия газовой горючей смеси.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что тяжелое топливо впрыскивают в два этапа: 90-95% - в такте первого сжатия смеси воздуха и топлива и 5-10% - в такте второго сжатия газовой горючей смеси после поворота коленчатого вала на 170-173° от начала такта.