ДВИГАТЕЛЬ ИЗМЕНЯЕМОЙ КОМПРЕССИИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ИЗМЕНЯЕМОЙ КОМПРЕССИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК F02B3/06 F02B7/06 F02B75/02 F02B33/44 

Группа изобретений относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС), работающим по циклу Дизеля и конкретно к дизельному двигателю изменяемой компрессии и газодизельному двигателю изменяемой компрессии. Группа изобретений может быть использована для любого вида транспорта: наземного, водного или авиационного, а также любых энергетических установок, например газоперекачивающих станций и позволяет технически просто и высокоэффективно использовать дизельное топливо или дизельное топливо в комбинации с газомоторным топливом с увеличением мощности, крутящего момента и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 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 известны поршневые двигатели внутреннего сгорания: дизельный двигатель, работающий только на дизельном топливе по циклу Дизеля и газодизельный двигатель - газовый двигатель, сконструированный на основе (или переделанный из) дизельного, и работающий также по циклу Дизеля на природном газе (метан) или сжиженных углеводородных газах (пропан-бутан) в качестве топлива, и при этом даже переделанный двигатель обычно также сохраняет возможность работы на дизельном топливе по чисто дизельному циклу.

Из уровня техники также известны различные варианты технических решений изменения степени сжатия в пределах от 8 до 14 для бензиновых и в пределах от 18 до 23 для дизельных ДВС. При этом каждому значению степени сжатия соответствует определенное значение компрессии, то есть эти характеристики, тесно связаны между собой, хотя по сути, совершенно различны, например компрессия ДВС, имеющего степень сжатия 10:1, должна быть не более 15,8 кг/см2, а компрессия для степеней сжатия от 18:1 до 23:1 в пределах 20-30 кг/см2, Работами над двигателями с изменяемой степенью сжатия занимались конструкторы Saab, Mercedes-Benz, Nissan, Peugeot, Volkswagen и даже Infiniti и при этом выяснили, что при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДВС, соответствующей степеням сжатия от 8 до 16 для бензиновых и от 18 до 23 для дизельных ДВС в зависимости от нагрузки удавалось поднять КПД двигателя с увеличением мощности и экономичности, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси в ДВС сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания ДВС.

Однако из уровня техники неизвестен Двигатель изменяемой компрессии, содержащий дизельный двигатель изменяемой компрессии (далее - ДДИК), позволяющий без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ДЦИК, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД ДДИК, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ДДИК.

Также из уровня техники неизвестен Двигатель изменяемой компрессии, содержащий газодизельный двигатель изменяемой компрессии (далее - ГДДИК) позволяющий без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать комбинированное топливо: природный газ (метан) или сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) в качестве топлива и/или дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ГДДИК, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 или более в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД ГДДИК, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ГДДИК, с сохранением возможности работы только на дизельном топливе по чисто дизельному циклу.

Таким образом, остается актуальной задача создания Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания дизельного двигателя изменяемой компрессии, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД дизельного двигателя изменяемой компрессии, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы дизельного двигателя изменяемой компрессии и создания Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать комбинированное топливо: природный газ (метан) или сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) в качестве топлива и/или дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ГДДИК, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 или более в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД ГДДИК, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ГДДИК, с сохранением возможности работы только на дизельном топливе по чисто дизельному циклу.

Задачей достижения технического результата, на который направлена заявленная группа изобретений, является создание Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания дизельного двигателя изменяемой компрессии, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД дизельного двигателя изменяемой компрессии, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы дизельного двигателя изменяемой компрессии и создания Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать комбинированное топливо: природный газ (метан) или сжиженные углеводородные газы (пропан-бутан) в качестве топлива и/или дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ГДДИК, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 или более в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД ГДДИК, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ГДДИК, с сохранением возможности работы только на дизельном топливе по чисто дизельному циклу.

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

Указанная задача (достижение технического результата) также решается тем, что предложен Двигатель изменяемой компрессии, по пункту 2 формулы изобретения.

Технический результат достигается также в способе функционирования Двигателя изменяемой компрессии, по пункту 1 формулы изобретения.

Технический результат достигается также в способе функционирования Двигателя изменяемой компрессии, по пункту 2 формулы изобретения.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. З.

На чертеже Фиг. 1 представлен эскиз одного из цилиндров Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК в положении поршня на такте впуска атмосферного воздуха в одном из цилиндров ГДДИК 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 ГДДИК, 7 - форсунка подачи газа дополнительной системы подачи газомоторного топлива, 4 - форсунка подачи сжатого воздуха дополнительной системы подачи сжатого воздуха, 8 - форсунка подачи дизельного топлива штатной топливной аппаратуры (на эскизе не показана).

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

На чертеже Фиг. 3 представлена функциональная схема Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК, где: 1 - микропроцессорный блок управления, 2 - датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ГДДИК и механическим валом нагрузки ГДДИК, 3 - датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ГДДИК, 4 - форсунка подачи сжатого воздуха дополнительной системы подачи сжатого воздуха в объем каждого цилиндра над поршнем в нижней «мертвой точке» поршней в блоке цилиндров ГДЦИК, 5 - дополнительная система подачи сжатого воздуха, 6 - дополнительная система подачи газомоторного топлива, 7 - форсунка подачи газа дополнительной системы подачи газомоторного топлива, 8 - форсунка подачи дизельного топлива штатной топливной аппаратуры (калильная свеча не показана), регулирующая момент зажигания сжатой топливовоздушной смеси подачей запальной порции дизельного топлива.

Функциональная схема Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ДДИК отличается от функциональной схемы Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДЦИК по эскизам Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3 только отсутствием дополнительной системы подачи газомоторного топлива.

Как известно из уровня техники в цилиндры дизеля, имеющего турбонаддув, воздух нагнетается компрессором под давлением несколько больше атмосферного и следовательно показатель степени сжатия турбированного дизеля будет отличаться от аналогичного дизеля без турбонаддува, а значение, степени сжатия турбированного дизеля определяется умножением степени сжатия атмосферного дизеля на коэффициент турбокомпрессора.

Главный принцип работы описанного Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК 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 ГДДИК. И таким образом в зависимости от нагрузки двигателя можно очень просто и быстро изменять значение управляемой компрессии в цилиндрах ГДДИК на соответствующих режимах работы, без вышеуказанных недостатков присущих ДВС с изменяемой степенью сжатия - возросшая сложность конструкции и не решенные вопросы с вибрацией.

При этом для создания Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать комбинированное топливо: дизельное и газомоторное топливо, избегая опасного режима детонации с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ГДДИК, соответствующей компрессиям для степеней сжатия, например, от 18 до 23 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 ГДДИК можно даже взять уже существующий атмосферный дизельный двигатель, например, со штатной неизменяемой степенью сжатия 18:1, штатная компрессия которого должна быть не более 20 кг/см2 и внести в существующую конструкцию дизеля изменения и устройства, описанные по схемам Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3.

И алгоритм работы Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК следующий - при больших нагрузках на ГДДИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки 2, установленного между коленчатым валом ГДДИК и механическим валом нагрузки ГДДИК, микропроцессорный блок управления 1 подает через форсунку 7 максимальное количество газомоторного топлива в цилиндры ГДДИК из расчета полного сгорания в объеме только атмосферного воздуха, поступившего через впускной клапан 9, а при малых нагрузках на ГДДИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки 2, и с корректировкой по сигналу датчика детонации 3, микропроцессорный блок управления 1 подает через форсунку 7 минимальное количество газомоторного топлива в цилиндры ГДДИК и создает оптимальное значение управляемой компрессии подачей дополнительного сжатого воздуха через форсунку 4 в цилиндрах ГДДИК на всех режимах работы с возможностью корректировки под конкретные физические свойства используемого топлива. А момент зажигания сжатой топливовоздушной смеси регулируется моментом подачи запальной порции дизельного топлива (обычно около 15-30% от общего количества топлива) через форсунку 8 штатной топливной аппаратуры. Алгоритм работы Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ДДИК аналогичен описанному алгоритму работы Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК, но без подачи дополнительного газомоторного топлива и соответственно возможны эксплуатационные ситуации, когда в ГДДИК, например, закончится газомоторное топливо, то ГДДИК сможет продолжить работу, но уже по циклу ДДИК с использованием только дизельного топлива. Если Двигатель изменяемой компрессии, содержащий ГДДИК или ДДИК устанавливается на транспортное средство, то механическая энергия, затраченная на работу воздушного компрессора дополнительной системы подачи сжатого воздуха 5 может быть частично скомпенсирована за счет энергии торможения транспортного средства.

Таким образом, описанный алгоритм работы Двигателя изменяемой компрессии, 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 18:1 до 23:1, одновременно предлагая высокоэффективное сжатие при малых нагрузках и низкую компрессию при максимальных нагрузках двигателя, что позволяет высокоэффективно использовать комбинированное топливо: дизельное и газомоторное топливо или только дизельное топливо с различными физическими свойствами.

Описанная группа изобретений позволяет получить высокий экономический и экологический эффект, при использовании на любом виде транспорта и в других технических областях применения Двигателя изменяемой компрессии.

Благодаря вышеперечисленному, в изобретении достигается технический результат, заключающийся в создании Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания дизельного двигателя изменяемой компрессии, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД дизельного двигателя изменяемой компрессии, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы дизельного двигателя изменяемой компрессии и в создании Двигателя изменяемой компрессии, содержащего ГДДИК, позволяющего без опасной вибрации, технически просто и высокоэффективно использовать комбинированное топливо: природный газ (метан) или сжиженные углеводородные тазы (пропан-бутан) в качестве топлива и/или дизельное топливо с различными физическими свойствами, с увеличением мощности и экономичности при динамическом изменении компрессии в камерах сгорания ГДДИК, соответствующей степеням сжатия от 18 до 23 или более в зависимости от нагрузки, позволяющим поднять КПД ГДДИК, добившись того, чтобы каждая порция топливовоздушной смеси сгорала при оптимальном значении компрессии в камерах сгорания на всех режимах работы ГДДИК, с сохранением возможности работы только на дизельном топливе по чисто дизельному циклу.

Изобретение может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания. Двигатель изменяемой компрессии содержит дизельный двигатель (ДДИК) со штатной топливной аппаратурой, впускными и выпускными клапанами (9), (10) и дополнительную систему подачи сжатого воздуха, содержащую воздушный компрессор с управляемым механическим приводом от коленчатого вала ДДИК и воздушный ресивер с управляемой воздушной арматурой. В каждом цилиндре (12) расположена, как минимум одна, форсунка (4) подачи сжатого воздуха из воздушного ресивера с управляемой воздушной арматурой в объем каждого цилиндра (12) над поршнем (11) в нижней мертвой точке поршней (11) при уже закрытом положении впускного клапана (9) или нескольких впускных клапанов (9) ДДИК. ДДИК дополнительно содержит, как минимум один датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ДДИК и датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ДДИК и механическим валом нагрузки ДДИК. Также ДДИК содержит микропроцессорный блок управления, который управляет работой систем подачи дизельного топлива со штатной топливной аппаратурой и дополнительной системы подачи сжатого воздуха по сигналам положения коленчатого вала, датчика детонации и датчика механической нагрузки ДДИК. Технический результат заключается в работе с увеличенной мощностью без опасной вибрации. Раскрыты вариант выполнения двигателя изменяемой компрессии с газодизельным двигателем и варианты способа функционирования двигателя изменяемой компрессии. 4 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Двигатель изменяемой компрессии, характеризующийся тем, что содержит дизельный двигатель (ДДИК) со штатной топливной аппаратурой, впускными и выпускными клапанами и дополнительную систему подачи сжатого воздуха, содержащую воздушный компрессор с управляемым механическим приводом от коленчатого вала ДДИК и воздушный ресивер с управляемой воздушной арматурой, отличающийся тем, что в блоке цилиндров ДДИК в каждом цилиндре расположена как минимум одна форсунка подачи сжатого воздуха из воздушного ресивера с управляемой воздушной арматурой в объем каждого цилиндра над поршнем в нижней мертвой точке поршней в блоке цилиндров ДДИК, при уже закрытом положении впускного клапана или нескольких впускных клапанов ДДИК, а ДДИК дополнительно содержит как минимум один датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ДДИК, и датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ДДИК и механическим валом нагрузки ДДИК, и при этом также ДДИК содержит микропроцессорный блок управления, который управляет работой систем подачи дизельного топлива со штатной топливной аппаратурой и дополнительной системы подачи сжатого воздуха по сигналам положения коленчатого вала, датчика детонации и датчика механической нагрузки ДДИК.

2. Двигатель изменяемой компрессии, характеризующийся тем, что содержит газодизельный двигатель (ГДДИК) со штатной дизельной топливной аппаратурой, впускными и выпускными клапанами и дополнительную систему подачи сжатого воздуха, содержащую воздушный компрессор с управляемым механическим приводом от коленчатого вала ГДДИК и воздушный ресивер с управляемой воздушной арматурой, а также дополнительную систему подачи газомоторного топлива со штатной газовой топливной аппаратурой, отличающийся тем, что в блоке цилиндров ГДДИК в каждом цилиндре расположены как минимум одна форсунка подачи газа от штатной газовой топливной аппаратуры и как минимум одна форсунка подачи сжатого воздуха из воздушного ресивера с управляемой воздушной арматурой, в объем каждого цилиндра над поршнем в нижней мертвой точке поршней в блоке цилиндров ГДДИК, при уже закрытом положении впускного клапана или нескольких впускных клапанов, а ГДДИК дополнительно также содержит как минимум один датчик детонации, расположенный на блоке цилиндров ГДДИК, и датчик механической нагрузки, установленный между коленчатым валом ГДДИК и механическим валом нагрузки ГДДИК и при этом, также ГДДИК содержит микропроцессорный блок управления, который управляет работой системы подачи дизельного топлива со штатной топливной аппаратурой, дополнительной системы подачи газомоторного топлива со штатной газовой топливной аппаратурой и дополнительной системы подачи сжатого воздуха по сигналам положения коленчатого вала, датчика детонации и датчика механической нагрузки ГДДИК.

3. Способ функционирования двигателя изменяемой компрессии, заключающийся в том, что используют двигатель по п. 1, при этом при больших нагрузках на ДДИК по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки микропроцессорный блок управления подает максимальное количество дизельного топлива в цилиндры ДДИК от штатной топливной аппаратуры из расчета полного сгорания дизельного топлива в объеме только атмосферного воздуха, поступившего через впускной клапан, а при малых нагрузках на ДДИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки, и с корректировкой по сигналу датчика детонации микропроцессорный блок управления подает минимальное количество дизельного топлива в цилиндры ДДИК от штатной топливной аппаратуры и создает при этом оптимальное значение изменяемой компрессии соответствующее степеням сжатия от 18 до 23 в зависимости от нагрузки в цилиндрах ДДИК за счет подачи дополнительного сжатого воздуха на всех режимах работы с возможностью корректировки при использовании дизельного топлива с различными физическими свойствами.

4. Способ функционирования двигателя изменяемой компрессии, заключающийся в том, что используют двигатель по п. 2, при этом при больших нагрузках на ГДДИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки, микропроцессорный блок управления подает максимальное количество газомоторного топлива в цилиндры ГДДИК из расчета полного сгорания газомоторного топлива в объеме только атмосферного воздуха, поступившего в цилиндр через впускной клапан, а при малых нагрузках на ГДДИК, по соответствующему сигналу датчика механической нагрузки, и с корректировкой по сигналу датчика детонации микропроцессорный блок управления подает минимальное количество газомоторного топлива в цилиндры ГДДИК и создает оптимальное значение изменяемой компрессии, соответствующее степеням сжатия от 18 до 23 в зависимости от нагрузки в цилиндрах ГДДИК за счет регулируемой подачи дополнительного сжатого воздуха на всех режимах работы с возможностью корректировки при использовании газомоторного топлива с различными физическими свойствами, а момент зажигания сжатой в цилиндрах смеси воздуха и газомоторного топлива микропроцессорный блок управления регулирует моментом подачи запальной порции дизельного топлива в цилиндры ГДДИК от штатной дизельной топливной аппаратуры на всех режимах нагрузки на ГДДИК, а в случае нештатной ситуации при невозможности подачи газомоторного топлива ГДДИК сможет продолжить работу только при использовании дизельного топлива.