ПОРШНЕВОЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ИЗМЕНЯЕМОЙ КОМПРЕССИИ (ПДВСИК) И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПДВСИК Российский патент 2023 года по МПК F02B75/02 F02B33/44 

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС) транспортных средств и может быть использовано в различных конструкциях: мотоциклов, легковых автомобилей, автобусов и грузовиков. ПДВСИК позволяет технически просто и высокоэффективно использовать топливо с различным октановым числом, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 8 до 16 в зависимости от нагрузки, что также позволяет поднять КПД двигателя, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания ДВС.

Из существующего уровня техники известно, что в бензиновых поршневых двигателях внутреннего сгорания топливовоздушная смесь перед воспламенением сжимается. Аналогичный такт работы дизелей отличаются лишь тем, что сжимается воздух без топлива. Одной из важнейших характеристик поршневого ДВС является степень сжатия. Она показывает, во сколько раз изменяется объем пространства над днищем поршня при прохождении его от нижней мертвой точки до верхней. Иногда этот показатель путают с компрессией, несмотря на то, что разница между ними огромна. Хотя эти характеристики, тесно связаны между собой, но по сути, совершенно различны. Степень сжатия - это соотношение, например, 10:1 или просто 10 и не имеет единиц измерения. То есть измеряется в «разах». Компрессия же показывает максимальное давление смеси в цилиндре перед воспламенением и измеряется в кг/см2. Так, компрессия ДВС, имеющего степень сжатия 10:1, должна быть не более 15,8 кг/см2 для бензина с октановым числом 93, но если этот же ДВС перевести на газомоторное топливо с октановым числом 105, то у ДВС снизятся и мощность и КПД. То есть чем выше степень сжатия, тем больше компрессия ДВС и его мощность (при прочих равных условиях). Повышая степень сжатия для топлива с соответствующим октановым числом и соответственно компрессию ДВС, конструкторы добиваются увеличения КПД двигателя за счет снижения удельного расхода топлива. Отсюда следует, что можно без очень сложного изменения степени сжатия, заложенной в конструкцию ДВС, а всего лишь очень просто, но точно изменяя компрессию сжимаемой топливовоздушная смесь перед воспламенением добиться аналогичного увеличения КПД двигателя за счет снижения удельного расхода топлива.

Из существующего уровня техники известны различные варианты технических решений изменения степени сжатия в ДВС. Работы над двигателями с изменяемой степенью сжатия ведутся уже не один десяток лет - этим направлением занимались конструкторы Saab, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot, Volkswagen и даже Infiniti. При этом технические характеристики ДВС с изменяемой степенью сжатия показали впечатляющие результаты, например двухлитровый бензиновый турбомотор Infiniti VC-T, динамически изменяющий степень сжатия от 8 до 14, развивает мощность 270 л.с, оказываясь на 27% экономичнее двухлитровых двигателей этой же компании, имеющих постоянную степень сжатия. Инженерами исследовательских институтов и компаний по обе стороны Атлантики получены десятки патентов по этой теме. Но пока ни один такой мотор не пошел в серийное производство и как признаются сами разработчики у всех различных вариантов исполнения ДВС с изменяемой степенью сжатия остаются общие недостатки: возросла сложность конструкции и не решены вопросы с вибрацией.

Однако из уровня техники неизвестен ДВС с изменяемым значением компрессии, позволяющим без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать топливо с различным октановым числом, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 8 до 16 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД двигателя, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ДВС.

Таким образом, остается актуальной задача создания ДВС с изменяемым значением компрессии, позволяющим без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать топливо с различным октановым числом, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 8 до 16 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД двигателя, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ДВС.

Задачей достижения технического результата, на который направлена заявленная группа изобретений, является создание ДВС с изменяемым значением компрессии, позволяющим без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать топливо с различным октановым числом, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 8 до 16 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД двигателя, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ДВС.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложен Поршневой двигатель внутреннего сгорания изменяемой компрессии, по пункту 1 формулы изобретения.

Технический результат достигается также в способе функционирования Поршневого двигателя внутреннего сгорания изменяемой компрессии, по пункту 2 формулы изобретения.

Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.

На чертеже Фиг. 1 представлен эскиз одного из цилиндров Поршневого двигателя внутреннего сгорания изменяемой компрессии (далее - ПДВСИК) в положении поршня на такте впуска атмосферного воздуха в одном из цилиндров ПДВСИК при открытом впускном клапане, закрытом выпускном клапане и движении поршня вниз из положения верхняя «мертвая» точка (ВМТ), где: 9 - впускной клапан, 10 - выпускной клапан, 11 - поршень с поршневыми кольцами, 12 - один из цилиндров в блоке цилиндров ПДВСИК, 7 - форсунка подачи топлива, 4 - форсунка подачи дополнительного сжатого воздуха.

На чертеже Фиг. 2 представлен эскиз одного из цилиндров ПДВСИК в положении поршня в нижней «мертвой» точки (НМТ), сразу после такта впуска атмосферного воздуха в одном из цилиндров ПДВСИК при уже закрытом впускном клапане и закрытом выпускном клапане.

На чертеже Фиг. 3 представлена функциональная схема ПДВСИК, где: 1 - микропроцессорный блок управления, 2 - датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ПДВСИК и механическим валом трансмиссии автомобиля, 3 - датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ПДВСИК, 4 - форсунка подачи дополнительного сжатого воздуха в объем каждого цилиндра над поршнем в нижней «мертвой точке» поршней в блоке цилиндров ПДВСИК, 5 - дополнительная система подачи сжатого воздуха, 6 - систем подачи топлива, 7 - форсунка подачи топлива в объем каждого цилиндра над поршнем в нижней «мертвой точке» поршней в блоке цилиндров ПДВСИК, 8 - система зажигания ПДВСИК, 8 - система зажигания (свеча зажигания на эскизах не показана).

Как известно из уровня техники в цилиндры ДВС, имеющего турбонаддув, воздух нагнетается компрессором под давлением несколько больше атмосферного и следовательно показатель степени сжатия турбированного ДВС будет отличаться от аналогичного ДВС без турбонаддува, а значение, степени сжатия турбированного ДВС определяется умножением степени сжатия атмосферного ДВС на коэффициент турбокомпрессора. Таким образом, если на атмосферный ДВС со штатной неизменяемой степенью сжатия 8:1, штатная компрессия которого должна быть не более 12,64 кг/см2 для бензина с октановым числом 76, установить дополнительный турбонаддув с коэффициентом турбокомпрессора, позволяющем уже иметь увеличенную компрессию ДВС, но не более 15,8 кг/см2, позволяющую работать турбированному ДВС уже на бензине с октановым числом 93, что соответствует показателю степени сжатия 10:1 атмосферного ДВС, то в соответствии с указанным примером, можно аналогично, подавая строго дозируемое дополнительное количество воздуха под давлением непосредственно в цилиндры ДВС, при уже закрытых клапанах при положении поршня в нижней мертвой точке, изменять таким образом значение компрессии в цилиндрах ДВС в диапазоне значений компрессий, соответствующих значениям компрессий для степеней сжатия от 8 до 16 атмосферного ДВС.

Главный принцип работы описанного ПДВСИК по схемам Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3 заключается в следующем - атмосферный воздух без топлива штатно на всех режимах работы поступает через впускной клапан 9 на такте впуска при движении поршня 11 вниз в цилиндре 12 (Фиг. 1), а подача топлива через форсунку 7, а также при необходимости подача дополнительного сжатого воздуха через форсунку 4 в объем каждого цилиндра осуществляется при уже закрытых клапанах (Фиг. /2), в пространство над поршнем в нижней «мертвой точке» в блоке цилиндров ПДВСИК. И таким образом в зависимости от нагрузки двигателя можно очень просто и быстро изменять значение управляемой компрессии в цилиндрах ПДВСИК на соответствующих режимах работы, без вышеуказанных недостатков присущих ДВС с изменяемой степенью сжатия - возросшая сложность конструкции и не решены вопросы с вибрацией.

При этом для создания ДВС с изменяемым значением компрессии, позволяющим без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать топливо с различным октановым числом, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей компрессиям для степеней сжатия, например, от 8 до 16 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД двигателя, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ДВС можно даже взять уже существующий атмосферный ДВС, например, со штатной неизменяемой степенью сжатия 8:1, штатная компрессия которого должна быть не более 12,64 кг/см2 для бензина с октановым числом 76 и внести в конструкцию изменения и устройства, описанные по схемам Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3.

И алгоритм работы ПДВСИК следующий - при больших нагрузках на ПДВСИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки 2, установленного между коленчатым валом ПДВСИК и механическим валом трансмиссии автомобиля, микропроцессорный блок управления 1 подает максимальное количество топлива в цилиндры ПДВСИК из расчета полного сгорания в объеме только атмосферного воздуха, поступившего через впускной клапан 9, а при малых нагрузках на ПДВСИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки 2, и с корректировкой по сигналу датчика детонации 3, микропроцессорный блок управления 1 создает оптимальное значение управляемой компрессии в цилиндрах ПДВСИК на всех режимах работы с возможностью корректировки под конкретное значение октанового числа используемого топлива. При этом энергия, затраченная на работу воздушного компрессора дополнительной системы подачи сжатого воздуха 5 может быть частично скомпенсирована за счет энергии торможения автомобиля.

Таким образом, описанный алгоритм работы ПДВСИК именно по возможности изменять давление поршня на топливно-воздушную смесь практически аналогичен известным двигателям внутреннего сгорания изменяемой степени сжатия, который также может практически мгновенно именно изменять давление поршня на топливно-воздушную смесь, соответствующую давлению сжатой топливно-воздушной смеси при изменении степени сжатия в соотношении от 8:1 до 16:1, одновременно предлагая высокоэффективное сжатие при малых нагрузках и низкую компрессию при максимальных нагрузках двигателя, что позволяет высокоэффективно использовать любое бензиновое топливо с октановым числом от 76 до 98, а также газомоторное топливо с октановым числом 105.

Описанное изобретение позволяет получить высокий экономический и экологический эффект, при использовании на автомобильном транспорте и в других областях применения ПДВСИК.

Благодаря вышеперечисленному, в изобретении достигается технический результат, заключающийся в создании ДВС с изменяемым значением компрессии, позволяющим без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать топливо с различным октановым числом, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 8 до 16 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД двигателя, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ДВС.

Изобретение может быть использовано в двигателях внутреннего сгорания. Поршневой двигатель внутреннего сгорания изменяемой компрессии (ПДВСИК) содержит четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и дополнительную систему подачи сжатого воздуха. Форсунки (7) подачи топлива в каждый цилиндр (12) ПДВСИК расположены над поршнем (11) в нижней мертвой точке поршней в блоке цилиндров ПДВСИК. Рядом с каждой из них на этом же уровне расположена форсунка (4) подачи дополнительного сжатого воздуха в объем каждого цилиндра (12) над поршнем (11) в нижней мертвой точке поршней в блоке цилиндров ПДВСИК, при уже закрытом положении впускного клапана (9) или нескольких впускных клапанов ПДВСИК. Дополнительная система подачи сжатого воздуха ПДВСИК содержит воздушный компрессор с управляемым механическим приводом от коленчатого вала ПДВСИК или механического вала трансмиссии автомобиля, а также воздушный ресивер с управляемой воздушной арматурой. ПДВСИК дополнительно содержит как минимум один датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ПДВСИК, и датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ПДВСИК и механическим валом трансмиссии автомобиля. ПДВСИК содержит микропроцессорный блок управления, который управляет работой систем подачи топлива, системы зажигания и системы подачи сжатого воздуха по сигналам датчика детонации и датчика механической нагрузки ПДВСИК. Раскрыт способ функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания изменяемой компрессии. Технический результат заключается в использовании топлива с различным октановым числом, избегая при этом режимов детонации и вибрации. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Поршневой двигатель внутреннего сгорания изменяемой компрессии (ПДВСИК), характеризующийся тем, что содержит четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания и дополнительную систему подачи сжатого воздуха, отличающийся тем, что форсунки подачи топлива в каждый цилиндр ПДВСИК расположены над поршнем в нижней мертвой точке поршней в блоке цилиндров ПДВСИК, а рядом с каждой из них на этом же уровне расположена форсунка подачи дополнительного сжатого воздуха в объем каждого цилиндра над поршнем в нижней мертвой точке поршней в блоке цилиндров ПДВСИК, при уже закрытом положении впускного клапана или нескольких впускных клапанов ПДВСИК, дополнительная система подачи сжатого воздуха ПДВСИК содержит воздушный компрессор с управляемым механическим приводом от коленчатого вала ПДВСИК или механического вала трансмиссии автомобиля, а также воздушный ресивер с управляемой воздушной арматурой, ПДВСИК дополнительно содержит как минимум один датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ПДВСИК, и датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ПДВСИК и механическим валом трансмиссии автомобиля, и при этом также содержит микропроцессорный блок управления, который управляет работой систем подачи топлива, системы зажигания и системы подачи сжатого воздуха по сигналам датчика детонации и датчика механической нагрузки ПДВСИК.

2. Способ функционирования поршневого двигателя внутреннего сгорания изменяемой компрессии (ПДВСИК), заключающийся в том, что используют ПДВСИК по п. 1, при этом при больших нагрузках на ПДВСИК по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки микропроцессорный блок управления подает максимальное количество топлива в цилиндры ПДВСИК из расчета полного сгорания в объеме только атмосферного воздуха, поступившего через впускной клапан, а при малых нагрузках на ПДВСИК по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки и с корректировкой по сигналу датчика детонации микропроцессорный блок управления создает оптимальное значение управляемой компрессии в цилиндрах ПДВСИК на всех режимах работы с возможностью корректировки под конкретное значение октанового числа используемого топлива.