УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАМЕНЫ ДРОССЕЛЬНОЙ ЗАСЛОНКИ Российский патент 2024 года по МПК F02B33/02 F04B35/01 F02B33/22 

Ссылка на сопутствующие заявки

Настоящая заявка испрашивает приоритет даты подачи заявки на патент США №16589772, поданной 1 октября 2019 года, что является приоритетной датой.

Область техники изобретения

Настоящее изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания.

Предпосылки к созданию изобретения

Эффективность двигателя внутреннего сгорания ограничена в основном из-за потери тепловой энергии во время его работы. К тому же его эффективность дополнительно снижается из-за использования определенного устройства, а именно дроссельного, в таких условиях как работа с частичной нагрузкой двигателя. Дроссель, как известно, ограничивает количество воздуха в двигателе внутреннего сгорания в зависимости от требований к нагрузке на двигатель. Дроссельное устройство может дополнительно снизить эффективность двигателя внутреннего сгорания из-за перекачки и потери тепла, вызванных его использованием. Его использование может привести к потерям в диапазоне примерно от 0% до 14% или более. Поскольку большую часть времени двигатели работают в условиях частичной нагрузки, потеря энергии от 8% до 14% из-за дросселя наблюдается почти всегда. Чем ниже нагрузка, тем выше потери при перекачке.

Краткое описание изобретения

Настоящее изобретение предлагает устройство, которое может заменить функцию дроссельной заслонки и, следовательно, уменьшить потерю энергии в двигателе внутреннего сгорания. Предлагаемое устройство представляет собой некую уникальную компрессорную установку, см. Рис. 1, которая может быть добавлена к двигателям внутреннего сгорания.

Компрессорная установка может быть сконструирована для работы различными способами и может быть выполнена как в виде одной компрессорной установки, так и в виде комплекса компрессорных установок. Компрессор(ы) будет функционировать таким образом, что его(их) работа будет регулировать количество воздушной массы, которая проходит через его цилиндр(ы) в двигатель внутреннего сгорания, заменяя таким образом функционал дроссельного устройства.

Один из способов, которым компрессор может регулировать количество воздушной массы, показан на Рис. 1, на котором изображена компрессорная установка, которая контролирует количество воздушной массы путем повторного выведения части втянутого воздуха, и этот процесс активируется благодаря управлению клапанами впуска, выпуска и удаления избыточного воздуха определенным образом.

Другим способом работает компрессор, показанный на Рис. 6, на котором изображен компрессор, который ограничивает количество воздушной массы в компрессоре во время процесса ее впуска, управляя впускным и выпускным клапанами иным образом. Могут существовать и другие способы регулирования количества воздуха компрессором для описанных целей.

Клапаны компрессора могут регулироваться электронным, механическим, пневматическим управлением, перепадом давления или любым другим способом. Для иллюстрации на Рис. 1, Рис. 2, Рис. 3, Рис. 4, Рис. 5 и на Рис. 6 показан только один компрессор.

Краткое описание чертежей

Рис. 1, который включает в себя Рис. 1a и Рис. 1b, представляет собой схему, иллюстрирующую компрессорную установку, которая заменяет дроссельное устройство в двигателе внутреннего сгорания. На ней показаны основные элементы компрессора, включая три его клапана. Компрессор может быть подключен к двигателю внутреннего сгорания через его коленчатый вал, прикрепленный непосредственно к коленчатому валу двигателя, или через коробку передач. На Рис. 1а показаны также участки угла вращения коленчатого вала при работе всех трех клапанов компрессора.

На Рис. 2, который включает в себя Рис. 2a и Рис. 2b, показана работа только клапана 8, «впускающего воздух». Таким образом, клапан, «впускающий воздух», 8 приводится в действие открытием приблизительно в 0° и закрытием приблизительно после 180° и до примерно 190° или более в зависимости от конструкции компрессора, температуры воздушной массы и ее инерции.

На Рис. 3 (Рис. 3a и Рис.3b) показана работа только клапана 10, «удаляющего избыточный воздух», который открывается приблизительно в 180° и закрывается в диапазоне от 180° до 320°, в зависимости от нагрузки на двигатель.

На Рис. 4 (Рис. 4a и Рис. 4b) показан альтернативный вариант клапана 10, «удаляющего избыточный воздух», который может открываться намного раньше, чем на 180°, и все еще закрываться между 180° и 320°, в зависимости от нагрузки на двигатель.

На Рис. 5 (Рис. 5а и Рис. 5b) показана работа только клапана 9, «выпускающего массы воздуха», который открывается в диапазоне от 180° до 320° и закрывается приблизительно на 360°, в зависимости от нагрузки на двигатель.

На Рис. 6 (Рис. 6а и Рис. 6b) показана компрессорная установка, работа которой регулирует количество воздушной массы путем управления работой клапана 8, «впускающего воздух», который открывается на 0° и закрывается в диапазоне от 40° до 320° угла вращения коленчатого вала.

Подробные описания предпочтительных модификаций изобретения

Как показано на Рис. 1 (Рис. 1a и Рис. 1b), компрессор, который заменит дроссель, присоединен к двигателю внутреннего сгорания 13 и включает в себя:

цилиндр 2, поршень 3 со штифтом 20 и шатун 4, коленчатый вал 5, который может быть подсоединен напрямую или через коробку передач 15 к коленчатому валу двигателя 5, верхняя крышка, всасывающая трубка или впускной коллектор 7, трубка или коллектор, удаляющий лишний воздух 11, трубка или коллектор, отводящий воздушные массы 6 и три индивидуальных клапана. Клапаны, которые управляют компрессором: Клапан 8, «Впускающий воздух», клапан 10, «Удаляющий избыточный воздух» и клапан 9, «Выпускающий массы воздуха». Каждый из представленных типов клапанов может существовать в единственном экземпляре, либо их может быть несколько. Эти три типа клапанов в компрессоре функционируют определенным образом, что описано ниже.

Клапан, «впускающий воздух», 8 открывается, когда поршень 3 находится примерно около A° или в ВМТ (верхней мертвой точке) положения углового вращения коленчатого вала, см. Рис. 2 (Рис. 2a и Рис. 2b), при этом поршень готовится двигаться вниз к нижней мертвой точке (НМТ, 180°), и закрывается приблизительно в НМТ или чуть позже прохождения НМТ, по мере необходимости, для обеспечения максимального всасывания, в или приблизительно около 190° (B°), что может варьироваться в зависимости от конструкции компрессора, угла вращения коленчатого вала компрессора 5 и всего объема возможной воздушной массы, которую может использовать двигатель, когда набирание полной мощности достигается в процессе забора или всасывания. В этот момент клапан, «впускающий воздух», 8 закроется, как это обычно происходит в компрессоре, и нагрузка на двигатель определит объем воздушной массы, оказавшейся внутри цилиндра компрессора, которая необходима в этот момент двигателю и, следовательно, определит ход работы двух других оставшихся клапанов, а именно клапана, «удаляющего избыточный воздух», 10 и клапана, «выпускающего массы воздуха», 9. Если двигатель должен работать при частичной нагрузке и только часть всей втянутой массы воздуха необходима для работы двигателя, клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10, см. Рис. 3 (Рис. 3a и Рис. 3b) откроется, что происходит в (или приблизительно в) точке 180° (С°) или около НМТ угла вращения коленчатого вала компрессора 5, когда клапан, «впускающий воздух», 8 закрывается, как упоминалось выше, или в B°, см. Рис. 2 (Рис. 2а), после прохождения НМТ, в то время как клапан, «выпускающий массы воздуха», 9 остается закрытым, см. Рис. 5 (Рис.5a). Так как клапан, «выпускающий массы воздуха», 9 в этот момент закрывается, а клапан, «впускающий воздух», 8 приближается к моменту закрытия, воздух будет уходить через клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10, см. Рис. 3b и Рис. 3a, в то время как поршень перемещается вверх от НМТ к ВМТ, пока клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 остается открытым. Воздух, вытесненный через клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 может быть выпущен в атмосферу или возвращен обратно в корпус воздушного фильтра двигателя (не показан) для последующего процесса его впуска (всасывания) компрессором. Как показано на графике угла действующего клапана 14 Рис. 3 (Рис. 3a и Рис. 3b), клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 работает (открыт) между C° или приблизительное в НМТ угла вращения коленчатого вала компрессора 5, когда клапан открыт, как указано выше, и закрывается в точке D°, которая располагается между C°/D°_Min, около НМТ или приблизительно в 180° и D°_Max (что само по себе попадает в промежуток приблизительно более 270° и менее ВМТ/360°) угла вращения коленчатого вала компрессора 5 при движении поршня вверх. Если клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 закрывается сразу после открытия в D=C/D_Min, что означает невозможность выпуска воздуха, двигатель будет работать с максимальной мощностью. Если клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 закрывается в D=D_Max (в промежутке приблизительно более 270° и менее 360°), это означает, что двигатель будет работать с минимальной мощностью, поскольку большая часть воздуха, поступающего в процессе впуска, будет снова удалена через коллектор, удаляющий лишний воздух, 11, и в цилиндре компрессора останется совсем немного воздуха для потребления двигателя.

В альтернативном варианте конструкции клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 работает (открыт) в точке C°, что работает не приблизительно в НМТ, но когда C° - это намного меньше, чем 180° и попадает в промежуток между ВМТ или около 0° и 180°, см. Рис. 4 (Рис. 4а), и закрыт в моменты, описанные в настоящем документе выше.

Работа последнего клапана («выпускающего массы воздуха», 9), см. Рис. 5 (Рис. 5а и Рис. 5b), следует за работой клапана, «удаляющего избыточный воздух», 10, см. Рис. 3 (Рис. 3a, Рис.3b) и Рис. 5 (Рис. 5a, Рис. 5b). Клапан, «выпускающий массы воздуха», 9 откроется, как только клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10 будет закрываться и закроется в точке 360°/0° (F или ВМТ) или около нее, чтобы позволить оставшейся массе воздуха в цилиндре компрессора пройти через его коллектор, отводящий воздушные массы, 6 в двигатель внутреннего сгорания 13 через его всасывающую трубку или коллектор 12 для процесса сгорания. Это означает, что клапан, «выпускающий массы воздуха», 9 работает, когда он открыт в точке E°, и его открытие происходит где-то между НМТ или около 180° (E_Max°) и (E_Min°), следуя за закрытием клапана, «удаляющего избыточный воздух», 10 приблизительно в той же точке D° (D°~E°), и он закрывается в точке 360°/0° (F° или ВМТ) угла вращения коленчатого вала, в то время как поршень находится в ВМТ, см. Рис. 5 (Рис. 5а).

Как описано выше, открытие клапана, «выпускающего массы воздуха», 9 в Е°=E_Max (прибл. 180°) или около НМТ следует за закрытием клапана, «удаляющего избыточный воздух», 10 в приблизительно то же время и в том же положении и соответствует максимальной мощности двигателя в этом случае, так как воздух не возвращается ни в атмосферу, ни обратно в корпус воздушного фильтра через клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10, и вся втянутая воздушная масса будут проходить через клапан, «выпускающий массы воздуха», 9 и коллектор, отводящий воздушные массы, 6 через всасывающую трубку двигателя или коллектор 12 в двигатель 13.

Открытие клапана, «выпускающего массы воздуха», 9 в Е°=E_Min°(прибл. между 270° и 360°) или около того следует за закрытием клапана, «удаляющего избыточный воздух», 10 в приблизительно то же время и в том же положении и соответствует минимальной мощности двигателя (или режиму холостого хода двигателя), так как большая часть воздуха выбрасывается в атмосферу или возвращается в корпус воздушного фильтра через клапан, «удаляющий избыточный воздух», 10.

Любой другой случай работы компрессора, который включает закрытие клапана, «удаляющего избыточный воздух», 10 и открытие клапана, «выпускающего массы воздуха», 9 между и более чем от НМТ/180° и приблизительно равного или меньшего, чем F° угла поворота коленчатого вала компрессора, соответствует работе двигателя с частичной нагрузкой.

Обратите внимание, что значения угла вращения при работе клапана E_Min°, E_Max°, D_Min° и D_Max° будут зависеть от проектных характеристик двигателя, требуемой мощности работы двигателя на холостом ходу и других факторов.

На Рис. 6 (Рис.6а, Рис. 6b) показан компрессор другого типа, который может заменить дроссельное устройство. Схема работающего клапана 14 показывает, что клапан компрессора 8, «впускающий воздух», открывается приблизительно в A°(0°) или ВМТ и закрывается в B°, положения которого находятся между приблизительно B_Min° (прибл. НТМ>0° и НМТ) и B_Max° (прибл. больше 270°, но меньше или равно 360° или ВМТ), ограничивая таким образом количество воздуха в компрессоре. Работа клапана, «выпускающего массы воздуха», 9 и, в частности, его открытие в соответствии с углом вращения коленчатого вала компрессора является функцией давления воздуха в компрессоре на впуске (что может быть или не быть атмосферным давлением), давления воздуха внутри цилиндра компрессора, давления воздуха в коллекторе, отводящем воздушные массы, 6, давление которого в состоянии частичной нагрузки на двигатель может быть меньше атмосферного давления, и метода контроля клапаном, но при этом он закрывался бы в приблизительно 360° или ВМТ.

Углы открытия и закрытия клапанов компрессора являются приблизительными и могут варьироваться в зависимости от конструкции двигателя и требований.

Хотя предпочтительные вариации настоящего изобретения были описаны для иллюстративных целей, специалисты в данной области техники оценят, что многие дополнения, модификации и замены возможны без отступления от объема и сущности данного изобретения, что определено в прилагаемой формуле изобретения.

Используемый выше и далее, в формуле изобретения, термин Верхняя Мертвая Точка (ВМТ) означает, что поршень находится в самой близкой к головке цилиндра точке, а термин Нижняя Мертвая Точка (НМТ) означает, что поршень находится в самой дальней от головки цилиндра точке.

Изобретение относится к двигателестроению. Устройство компрессорного типа содержит по меньшей мере один цилиндр компрессора, содержащий поршень, соединенный с коленчатым валом посредством шатуна с помощью штифта. Каждый цилиндр компрессора соединен с двигателем внутреннего сгорания напрямую или через коробку передач с коленчатым валом двигателя. Каждый цилиндр компрессора осуществляет процесс всасывания, при котором поршень движется по оси от ВМТ позиции углового вращения коленчатого вала к НМТ позиции углового вращения коленчатого вала цилиндра компрессора и втягивает объем воздушных масс, необходимый ДВС для выработки максимальной мощности пропорционально. За процессом всасывания идет процесс продувки, во время которого поршень движется вверх от НМТ к ВМТ так, что избыток втянутых воздушных масс удаляется или вытесняется из цилиндра компрессора, когда поршень движется по оси к ВМТ. Процесс продувки сопровождается процессом выпуска, когда поршень приближается к ВМТ, во время чего остатки втянутых в цилиндр компрессора воздушных масс направляются в ДВС, основываясь на требованиях к нагрузке на двигатель в данный момент. Технический результат заключается в снижении потерь энергии в двигателе внутреннего сгорания. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство компрессорного типа, которое регулирует количество нагнетаемой в двигатель внутреннего сгорания воздушной массы, основываясь на требованиях к нагрузке на двигатель, заменяя тем самым функцию дроссельного устройства в двигателе внутреннего сгорания, при этом компрессорное устройство содержит:

один или несколько цилиндров компрессора (2), где каждый цилиндр имеет объем цилиндра (17), верхнюю крышку (18) и верхнюю мертвую точку (ВМТ), нижнее отверстие (19) и нижнюю мертвую точку (НМТ), и при этом каждый цилиндр имеет поршень, движущийся по оси возвратно-поступательными движениями (3), который механически соединен с коленчатым валом (5) посредством шатуна (4) с помощью штифта (20), и при этом каждый цилиндр компрессора соединен с двигателем внутреннего сгорания напрямую или через коробку передач (15) с коленчатым валом двигателя (16), и при этом каждый цилиндр компрессора осуществляет процесс всасывания, при котором поршень движется по оси от ВМТ позиции углового вращения коленчатого вала к НМТ позиции углового вращения коленчатого вала цилиндра компрессора и втягивает объем воздушных масс, необходимый двигателю внутреннего сгорания для выработки максимальной мощности пропорционально, и при этом за процессом всасывания идет процесс продувки, во время которого поршень движется вверх от НМТ к ВМТ, так что избыток втянутых воздушных масс удаляется или вытесняется из цилиндра компрессора, когда поршень движется по оси к ВМТ, и при этом процесс продувки сопровождается процессом выпуска, когда поршень приближается к ВМТ, во время чего остатки втянутых в цилиндр компрессора воздушных масс направляются в двигатель внутреннего сгорания, основываясь на требованиях к нагрузке на двигатель в данный момент.

2. Устройство компрессорного типа по п. 1, дополнительно включающее один или несколько клапанов, впускающих воздух, один или несколько клапанов, удаляющих воздух, и один или несколько клапанов, выпускающих воздух, при этом один или несколько клапанов (8), впускающих воздух, контролируют процесс втягивания, один или несколько клапанов (10), удаляющих воздух, контролируют процесс продувки, а один или несколько клапанов (9), выпускающих воздух, контролируют процесс выпуска.

3. Устройство компрессорного типа по п. 1, дополнительно включающее один или несколько клапанов (8), впускающих воздух, и один или несколько клапанов (9), выпускающих воздух, в котором один или несколько клапанов (8), впускающих воздух, контролируют процесс втягивания, а один или несколько клапанов (9), выпускающих воздух, контролируют процесс выпуска.

4. Устройство компрессорного типа по п. 1, которое регулирует количество воздушной массы в одном или нескольких цилиндрах компрессора (2) во время процесса втягивания с целью замены функции дроссельной заслонки в двигателе внутреннего сгорания.