СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2021 года по МПК F02B33/22 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при производстве бензиновых моторов и дизелей.

Прототипом является способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий сжатие окислителя отдельно от топливного компонента горючей смеси, подачу его при достижении определенного давления в камеру сгорания и смешивание с парами топлива, сгорание смеси, передачу получившейся энергии на поршень через среду, не участвующую в процессе сгорания [Пат. РФ 2146007 МПК F02B 3/0, F02B 25/10, 2000].

Недостатками прототипа являются:

- относительно низкий КПД двигателя, обусловленный тем, что уменьшающийся объем камеры сгорания и последующее увеличение давления окислителя в ней приводят к конденсации паров топлива, т.е. увеличению топливных капель в горючей смеси и неполному сгоранию последней;

- недостаточная надежность двигателя из-за отсутствия смазки поршня, разделяющего окислитель и пары топлива, а также из-за наличия пружины в нем, которая будет испытывать при сгорании воздействие большой температуры и изменять свои упругие характеристики со временем;

- низкие эксплуатационные характеристики, вызванные нестабильностью качества приготовления смеси, поскольку количество наполняемого камеру сжатия окислителя зависит от положения в данный момент поршня, разделяющего окислитель и пары топлива. Кроме того, ограничены также и функциональные характеристики, например отсутствует возможность изменения состава горючей смеси количеством окислителя.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, повышение КПД двигателя, надежности, эксплуатационных и функциональных характеристик двигателя, а также упрощение его конструкции.

Задача решается тем, что в способе включающем подачу в камеру сгорания рабочего цилиндра компонентов горючей смеси и сжатого окислителя, по крайней мере окислитель, сжимают вне рабочего цилиндра и подают в последний при подходе его поршня к точке, соответствующей моменту зажигания.

Подачу жидкого компонента горючей смеси осуществляют при подходе поршня к положению, соответствующему углу опережения зажигания. Часть окислителя используют для продувки камеры сгорания рабочего цилиндра. Всасывание и сжатие окислителя осуществляют другим цилиндром, ход поршня которого синхронизируют с движением поршня рабочего цилиндра. Сжатие окислителя начинают с задержкой относительно момента прохождения поршнем нижней мертвой точки. Часть окислителя смешивают, с газообразным компонентом горючей смеси. Часть окислителя смешивают с жидким окислителем. Горючую смесь подают в камеру сгорания струей, которую воспламеняют у начала ее входа в эту камеру. Часть окислителя направляют в ресивер. Подачу жидкого компонента горючей смеси осуществляют под давлением большим, чем давление сжатого окислителя.

Указанные отличительные признаки позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.

Сжатие, по крайней мере окислителя вне рабочего цилиндра и подача в последний при подходе его поршня к точке, соответствующей моменту зажигания, способствует более равномерному его распределению по камере сгорания, когда поршень рабочего цилиндра практически стоит на месте. В обычных ДВС (например в дизелях) при движении поршня к камере сгорания за счет инерционных сил происходит уплотнение воздуха перед поршнем и последующее неравномерное его распределение из-за этого в камере сгорания. Кроме того, такой сжатый окислитель не содержит примесей отработавших газов и более стабилен по своим параметрам, поскольку при впуске не контактирует с горячими поверхностями. Все это способствует более качественному смесеобразованию, увеличению полноты сгорания и КПД, повышая, в конечном счете, эксплуатационные характеристики.

Осуществление подачи жидкого компонента горючей смеси при подходе поршня к положению, соответствующему углу опережения зажигания, позволяет сохранить размер распыленных частиц топлива, так как давление окислителя в камере сгорания уже не будет повышаться, что предотвратит конденсацию паров и укрупнение частиц после впрыска жидкой компоненты.

Использование части окислителя для продувки камеры сгорания рабочего цилиндра способствует удалению из камеры остатков отработавших газов и более полному ее последующему наполнению свежей горючей смесью. Это повышает полноту сгорания и КПД двигателя.

Осуществление всасывания и сжатия окислителя другим цилиндром, ход поршня которого синхронизируют с движением поршня рабочего цилиндра, упрощает конструкцию двигателя и повышает эксплуатационные характеристики. Кроме того, указанному цилиндру для работы по существу нужен один впускной клапан, который может быть выполнен большого сечения, что снижает затраты на всасывание и повышает КПД двигателя. Еще больше расширяет возможности наличие у этого цилиндра двух клапаном (с таким же большим суммарным сечением), которыми можно управлять независимо друг от друга. Например с помощью второго (вспомогательного) клапана при необходимости можно стравливать сжимаемый окислитель в ресивер сразу после того, как давление в цилиндре превысит давление в ресивере, т.е. не затрачивая лишней энергии на сжатие окислителя.

Начало сжатия окислителя с задержкой относительно момента прохождения поршнем нижней мертвой точки позволяет изменять степень сжатия и состав горючей смеси за счет варьирования количества сжимаемого окислителя. Чем больше время задержки, тем меньше степень сжатия и меньше будет количество сжатого окислителя. Это расширяет функциональные возможности и улучшает эксплуатационные характеристики. Заметим, что если стравливание производится в ресивер, то задержку начинают производить после того, как давление сжимаемого окислителя превысит давление в ресивере.

Смешивание части окислителя с газообразным компонентом горючей смеси позволяет использовать для работы двигателя газообразное топливо или водяной пар, что расширяет функциональные возможности двигателя и улучшает его эксплуатационные характеристики.

Смешивание части окислителя с жидким окислителем (например фетеролом) позволяет производить форсирование двигателя, что расширяет его функциональные возможности и улучшает эксплуатационные характеристики.

Подача горючей смеси в камеру сгорания струей, которую воспламеняют у начала ее входа в эту камеру способствует сгоранию смеси на входе в камеру сгорания. Это повышает полноту сгорания, поскольку продукты сгорания не перемешиваются с объемами свежей смеси. Несмотря на то, что в процессе сгорания давление в камере сгорания будет повышаться, струя будет продолжать свое истечение за счет высокой кинетической энергии потока (своего содержимого). Это повышает КПД двигателя и уменьшает выброс вредных веществ в атмосферу, способствуя улучшению эксплуатационных характеристик.

Направление части окислителя в ресивер дает возможность создавать запасы чистого воздуха в транспортном средстве и использовать его при необходимости на различные нужды. Например, подача воздуха из ресивера под давлением в цилиндр (сжимающий окислитель) позволит форсировать двигатель и без жидкого окислителя или обеспечить его нормальную работу при разряженной атмосфере (в горах). Все это расширяет функциональные возможности и улучшает эксплуатационные характеристики. Кроме того, воздух ресивера может быть использован для работы пневматической подвески, стеклоочистителей, накачки колес, подачи своим током (вместо шумного вентилятора) в салон и т.д. Все это расширяет функциональные возможности и повышает эксплуатационные характеристики.

Осуществление подачи>жидкого [компонента горючей смеси под давлением большим, чем давление сжатого окислителя, позволяет лучше и быстрее приготовить горючую смесь. Например, впрыскивание в окислитель жидкого компонента топлива под давлением порядка 10 МПа обеспечивает перемешивание уже на молекулярном уровне. Это увеличивает полноту сгорания и снижает выброс вредных веществ в атмосферу.

Изобретение поясняется чертежом..

На фиг. 1 изображена схема двигателя внутреннего сгорания с впрыском жидкого топливного компонента. На фиг. 2 изображена схема двигателя с подачей в камеру сгорания горючей смеси. На фиг. 3 изображено положение перепускного клапана до начала подачи горючей смеси. На, фиг. 4 изображено положение перепускного клапана в момент подачи горючей смеси. На фиг. 5 изображена схема возможной компоновки блока цилиндров двигателя.

Двигатель содержит рабочий 1 и нагнетающий 2 цилиндры с поршнями 3, воздушные каналы 4, 5, 6, в которых соответственно установлены выпускной 7, перепускной 8 и впускной 9 клапаны, и камеру 10 сгорания, горючая смесь в которой произведена устройством 11 впрыска (форсункой), связанным через систему топливоподачи с жидким топливом. В камере сгорания может быть установлен источник 12 технического зажигания (например свеча), причем установка возможна в зоне входа горючей смеси в камеру сгорания через отверстие 13 (сопло). Способ реализуют следующим образом.

Предположим, что поршни 3 цилиндров 1, 2 движутся вниз, при этом в цилиндре 1 происходит расширение продуктов сгорании (рабочий ход), а поршень цилиндра 2 засасывает через канал 6 при открытом впускном клапане 9 окислитель (воздух) (фиг. 1). При достижении поршнями нижней мертвой точки (НМТ) клапан 9 закрывается, а выпускной клапан 7 открывается, позволяя продуктам сгорания выходить из цилиндра 1 через канал 4. В результате этого движение поршней вверх сопровождается выходом продуктов сгорания из цилиндра 1 и сжатием окислителя в цилиндре 2. При подходе поршня цилиндра 1 к точке, соответствующей моменту зажигания, открывают перепускной клапан 8, в результате чего сжатый окислитель через канал 5 поступает в камеру 10 сгорания, при этом происходит продувка последней и удаление из нее остатков продуктов сгорания. После этого клапан 7 закрывается, сжатый окислитель продолжает поступать в камеру сгорания, наполняя ее. Давление над поршнями 3 выравнивается, и клапан 8 закрывают.

Далее производят подачу жидкого компонента под высоким давлением устройством 11 впрыска и производят техническое зажигание. Горючая смесь сгорает, начинается рабочий такт, в процессе которого поршни 3 синхронно движутся вниз. Аналогичным образом происходит работа двигателя в режиме дизеля.

Заметим, что поскольку жидкий компонент топлива впрыскивается в момент, когда давление окислителя в камере 10 сгорания больше не растет (поршень 3 цилиндра 1 практически не изменяет объем камеры сгорания), то исключается конденсация паров топлива и связанное с этим укрупнение его распыленных частиц, что уменьшает время сгорания и способствует увеличению полноты сгорания.

Посредством вспомогательного впускного клапана (не показан) или клапана 9, имеющего независимое электронное управление, можно при необходимости регулировать степень сжатия и состав горючей смеси. Для этого после подхода поршня цилиндра 2 НМТ задерживают закрытие клапана, способствуя выходу окислителя через канал 6, например в ресивер, с которым его предварительно соединяют. По истечению некоторого времени, задержку прекращают, поршень 3 цилиндра 2 сжимает оставшийся в нем окислитель. При этом в конце сжатия давления окислителя будет меньше, нежели в случае, когда задержка не осуществлялась, а горючая смесь окажется более богатой при прежней норме впрыска жидкого компонента. Если требуется форсировать работу двигателя, то при всасывании в цилиндр 2 направляют окислитель (воздух) из ресивера, с которым предварительно соединяют канал 6. Тогда при сжатии и отсутствии задержки степень сжатия увеличится, а смесь станет более бедной. Однако, если при этом увеличить подачу жидкого компонента, то смесь обогатится, и мощность топливного заряда возрастет. Также можно увеличить форсирование за счет подачи в цилиндр 2 жидкого окислителя.

Можно осуществлять подачу и других компонентов горючей смеси, например горючего газа, перегретого водяного пара и т.п., соединив предварительно канал 6 с источниками указанных газов.

Двигатель может работать и в режиме, когда горючая смесь полностью готовится и сжимается вне камеры сгорания (фиг. 2, 3). В этом случае после сжатия поршнем 3 в цилиндре 2 окислителя производят впрыск жидкого топливного компонента устройством 11 в канал 5 и открывают клапан 8, в результате чего горючая смесь через сопло 13 устремляется в камеру 10. После закрывания клапана 8 смесь воспламеняют. Заметим, что воспламенение можно производить и у начала входа струи в эту камеру источником 12 зажигания, размещенным у входа струи (фиг. 4). Подача такой смеси может осуществляться и специальном устройством, выполняющим роль топливной форсунки и смесителя жидкого компонента топлива с окислителем. В этом случае надобность в клапане 8 отпадает.

Если цилиндр 2 сделать большего объема по сравнению с цилиндром 1, например большего диаметра, то нагнетание окислителя может производиться сразу в два рабочих цилиндра, причем рабочие и нагнетающий цилиндры могут быть размещены под некоторым углом друг к другу (фиг. 5). Можно сделать и, наоборот, - рабочий цилиндр будет один, а нагнетающих - два. Это, например целесообразно в том случае, когда двигатель работает в режиме дизеля, и получение большой степени сжатия можно осуществить двумя цилиндрами при малом ходе поршня, что сделает дизель более компактным. Кроме того, появляется возможность выполнить одну часть двигателя бензиновую, а другую - дизельную, получив двигатель с совмещенными характеристиками ДВС и дизеля.

Внедрение изобретения позволит без существенных конструктивных изменений получить двигатель с расширенными функциональными характеристиками, более высоким КПД и с меньшими вредными выбросами в атмосферу.

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано при производстве бензиновых моторов и дизелей. Техническим результатом является повышение КПД двигателя, надежности, эксплуатационных и функциональных характеристик двигателя, а также упрощение его конструкции. Сущность изобретения заключается в том, что при движении поршней 3 цилиндров 1, 2 вниз в цилиндре 1 происходит расширение продуктов сгорании, а поршень цилиндра 2 засасывает через канал 6 при открытом впускном клапане 9 окислитель. При достижении поршнями НМТ клапан 9 закрывается, а выпускной клапан 7 открывается, позволяя продуктам сгорания выходить из цилиндра 1 через канал 4. В результате этого движение поршней вверх сопровождается выходом продуктов сгорания из цилиндра 1 и сжатием окислителя в цилиндре 2. При подходе поршня цилиндра 1 к точке, соответствующей моменту зажигания, открывают перепускной клапан 8, в результате чего сжатый окислитель через канал 5 поступает в камеру 10 сгорания, при этом происходит продувка последней и удаление из нее остатков продуктов сгорания. После этого клапан 7 закрывается, сжатый окислитель продолжает поступать в камеру сгорания, наполняя ее. Давление над поршнями 3 выравнивается, и клапан 8 закрывают. Далее производят подачу жидкого компонента под высоким давлением устройством 11 впрыска и производят техническое зажигание. Горючая смесь сгорает, начинается рабочий такт, в процессе которого поршни 3 синхронно движутся вниз. Аналогичным образом происходит работа двигателя в режиме дизеля. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу в камеру сгорания рабочего цилиндра компонентов горючей смеси и сжатого окислителя, при этом окислитель сжимают поршнем в отдельном нагнетающем цилиндре, отличающийся тем, что подачу окислителя осуществляют при подходе поршня к точке, соответствующей моменту зажигания, при этом ход поршня нагнетающего цилиндра синхронизируют с движением поршня рабочего цилиндра, а сжатие окислителя начинают с задержкой относительно момента прохождения поршнем нижней мертвой точки за счет стравливания окислителя в ресивер через вспомогательный клапан для изменения состава горючей смеси посредством изменения количества окислителя.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть окислителя используют для продувки камеры сгорания рабочего цилиндра.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть окислителя смешивают с жидким окислителем.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горючую смесь подают в камеру сгорания струей, которую воспламеняют у начала ее входа в эту камеру.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что стравливание окислителя осуществляют после того, как давление в цилиндре превысит давление в ресивере.