Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1991 года по МПК F02B27/00 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности кдвигателестро- ению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является повышение экономичности.

На фиг. 1 представлена схема цилиндра двигателя с двумя вариантами выполнения перепускного канала и золотникового клапана; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - золотниковый клапан в начале фазы выпуска; на фиг. 5 - то же, в период соединения

выпускного коллектора и перепускного канала; на фиг. 6 - то же, с возвратным элементом в виде пневмоцилиндра в период соединения выпускного коллектора с выпускным патрубком; на фиг. 7 - золотниковый клапан, сопряженный с управляемым выпускным клапаном.

Двигатель содержит по меньшей мере один рабочий цилиндр 1 с ребрами 2 воздушного охлаждения, форсункой 3, впуск ными окнами 4 и выпускными окнами 5, в цилиндре подвижно и оппозитно установлены поршни 6 и 7. Снаружи цилиндра устаСЛ

Ьь

новлен воздушный кожух-ресивер 8, во внутренних стенках 9 которого выполнены ряды отверстий 10, сообщающихся с впускными патрубками 11, соединенными с источником низконапорного сжатого воздуха, например с установленной на валу двигателя крыльчаткой. Отверстия 10 закрыты автоматическими обратными клапанами, выполненными в виде упругих пластин 12, жестко присоединенных к планкам 13 с направляющими штифтами 14, подвижно сопряженными с отверстиями 10. Снаружи цилиндра смонтированы перепускные каналы 15 и 16 с входными отверстиями 17 и 18 и выходными отверстиями 19 и 20, соединенными с кожухом-ресивером 8.

На фиг. 1 изображены два варианта выполнения перепускного канала. Первый вариант: канал 15 с разделительной перегородкой 21, выполненной в виде качающейся пластины из легкого жаропрочного материала, например из титанового сплава или углепластика, снабженной на периферийных поверхностях лабиринтными уплотнениями, например, в виде ячеек или продольных канавок и сопряженной с минимальным зазором с корпусом канала. В плане пластина имеет прямоугольную форму, соответственно корпус канала 15 образован цилиндрической стенкой и двумя плоскими торцовыми крышками. Перегородка 12 жестко закреплена на валике 22 с возможностью поворота в подшипниках, выполненных в торцовых стенках канала 15. По меньшей мере на одном конце валика снаружи камеры неподвижно закреплен рычаг 23, соединенный с пружиной 24 растяжения, зафиксированной другим концом в корпусе.

Второй вариант: перепускной канал 16 не содержит размещенных внутри подвижных элементов, поэтому форма канала в продольном и поперечном направлениях достаточно произвольна и определяется, в основном, требованиями минимального аэродинамического сопротивления и обеспечения безвихревого безотрывного потока газов. Поперек канала целесообразна установка диафрагмы 25, выполненной из жаропрочного материала, например, в виде проволочной сетки или листа, перфорированного отверстиями, при этом предпочтительно дифференцированное исполнение ячеек или отверстий: на периферии диаметр отверстий и их относительная проницаемость (площадь отверстий, отнесенная к единице площади диафрагмы, например к 1 см2) больше, чем в центре, в области газового потока с наибольшими скоростями.

Выпускные окна 5 сообщены с выпускным коллектором 26, охватывающим цилиндр подобно кожуху-ресиверу 8, в коллекторе установлены выпускные клапаны-распределители золотникового типа. Золотниковый клапан-распределитель 27 (вариант выполнения клапана-распределителя 28) содержит диск 29, выполненный за одно целое со стержнем 30, и цилиндриче0 ский стакан 31 с расположенными по окружности распределительными окнами 32. Стакан клапана с минимальными зазорами сопряжен с отверстием 33, выполненным в цилиндре и коллекторе, это отверстие имеет

5 разнесенные подлине кольцевые распределительные каналы, из которых канал 34 соединяет полость отверстия 33 с выпускными оверстиями 5, канал 35 - с входным отверстием 17 перепускного канала, а канал 36 0 с выпускным патрубком 37.

В стенке цилиндра, являющейся торцом отверстия 38, выполнены окна 38, которые отличаются от выпускных окон 5 большей высотой, т. е. они выше окон 5 на

5 величину ДЬ. Между диском клапана и корпусом предусмотрена демпфирующая полость 39. На конце стержня 30 закреплена тарелка 40, с которой сопряжен упругий элемент - пружина 41 сжатия, второй конец

0 которой опирается на тарелку 42 с толкателем 43, подвижно установленным в корпусе и снабженным приводом поступательного движения (например, кинетически связанным с центробежным регулятором частоты

5 вращения вала двигателя, с регулятором цикловой подачи топлива или с шаговым электродвигателем, действующим по команде ЭВМ). Вместо пружины может быть применен пневматический упругий элемент

0 в виде пневмоцилиндра 44 (фиг. 6) с поршнем 45 и выпускными отверстиями 46, расположенными на расстоянии h от конца рабочей полости пневмоцилиндра. Надпор- шневая полость пневмоцилиндра сообщена

5 с емкостью 47, соединенной с источником сжатого газа, например с полостью перепускного канала 15 через дополнительный обратный клапан 48.

В другом варианте емкость 47 соедине0 на с управляемым газовым редуктором 49, соединенным с источником сжатого газа, например с бортовой пневмосистемой, при этом отверстия 46 сообщены с перепускным каналом 15, Привод управления газовым ре5 дуктором кинематически связан или с центробежным регулятором, или с регулятором цикловой подачи топлива, или с электроприводом и бортовым микропроцессором.

Вариант золотникового клапана-распределителя 28 является аналогом клапанараспределителя 27, но с поворотным рабочим элементом,выполненным в виде пустотелого сектора с цилиндрической частью 50,. имеющей окно 51. и двух плоских торцовых поверхностей 52 с окнами 53.

Клапан с минимальными зазорами размещен в соответствующей секторной полости 54, имеющей распределительные окна 55, 56 и 57 на цилиндрической и торцовых поверхностях, сообщающиеся соответственно с выпускными окнами 5, отверстием 18 перепускного канала 16 и выпускным патрубком 58. Клапан имеет на торцовых стенках две цилиндрические цапфы 59, сопряженные с подшипниками в корпусе. Одна из цапф снаружи жестко скреплена с рычагом 60, соединенным с пружиной 61 растяжения, которая вторым концом соединена с тягой 62, соединенной с регулирующим приводом, действующим или от центробежного регулятора, или от регулятора цикловой подачи, или от бортового вычислительного устройства (подобно устройству управления клапаном-распределителем 27).

На фиг. 1-6 рассмотрены варианты реализации способа в двухтактном двигателе с прямоточной щелевой продувкой.

На фиг. 7 изображено устройство, применяемое в двигателях с клапанным газораспределением, например в двигателях с клапанно-щелевой продувкой или в четырехтактных двигателях с выпускным и впускным клапанами. На стержень управляемого выпускного клапана 63 коак- сиально и с возможностью осевого переме- щения установлен золотниковый клапан-распределитель 64 с юбкой 65 стакана и отверстиями 66, а в сопряженном с клапаном отверстии корпуса выполнены кольцевой канал 67, сообщающийся с входом в перепускной канал, и канал 68, сообщающийся с выпускным патрубком. Клапан-распределитель 64 поджат пружиной 69.

Способ осуществляется следующим образом.

В конце процесса расширения поршень 7 открывает выпускные окна 38 большей высоты, газы с ударным расширением заполняют подклапанную полость 70 клапана- распределителя 27 (фиг. 4) и сообщают ему ускоренное движение. При этом энергетические потери процесса расширения незначительны, поскольку полость 70 имеет небольшую емкость, а ход клапана в начальной фазе ускорения мал. После прохождения клапаном расстояния I полость 70 соединяется с полостью выпускного коллектора 26. в этот момент поршень 7 открывает

выпускные окна 5, я распрндолитр яьные ок на 32 клапана соединяются с кольцевыми каналами 35 и далее с входным отверстием 17 перепускного канала 15. начинается фаза 5 свободного выпуска газов, в которой газы, расширяясь в полость канала 15. сжимают в ней воздух, поступивший через впускной патрубок 11, пластины 12 при этом закрывают отверстия 10. При дальнейшем ходе кла10 пана его юбка перекрывает канал 35 и открывает канал 36, сообщающийся с выпускным патрубком 37. Сжатым воздухом из канала 15 и кожуха-ресивера 8 через окна 4 и 5 осуществляется интенсивная продувка

5 рабочей полости цилиндра 1 (фиг. 1 и 6).

Продукты расширения из патрубка 37 направляются или в атмосферу, или в низконапорный нагнетатель, выход которого сообщен с впускным патрубком 11. В конце

0 прямого хода клапан-распределитель 27 безударно тормозится воздушным демпфером (полость 39), затем движется в обратном направлении под действием пружины 41 В конце обратного хода клапан тормозится

5 демпфером и останавливается в исходном положении {фиг. 4), при котором перепускной канал 15 через каналы 35 и 36 сообщены с выпускным патрубком, что обеспечивает возврат перегородки 21 в исходное положе0 ние 71 давлением воздуха в кожухе-ресивере 8. Возвратный ход перегородки 21 совершается в течение фаз сжатия и расширения.

Длительность фазы продувки рабочей

5 полости цилиндра 1 зависит от скорости обратного хода клапана, эта скорость может быть увеличена поджатием пружины 41 посредством связанного с толкателем 43 автоматического привода, действующего,.

0 например, от центробежного регулятора частоты вращения вала двигателя.

При использовании упругого элемента в виде пневмоцилиндра (фиг. 6) скорость возврата клапана уменьшается с ростом давле5 ния в перепускном канале 15, полость которого сообщена с отверстиями 46, и увеличивается с повышением давления в емко сти 47, автоматически регулируемого управляемым газовым редуктором, таким

0 образом обеспечивается автоматическое увеличение времени продувки при повышении цикловой подачи и уменьшение его с ростом частоты вращения.

Поворотный клапан-распределитель 28

5 действует аналогично клапану-распределителю 27. В конце процесса расширения через окна 72 сжатый газ проникает во внутреннюю полость клапана, сообщая ему ускоренное вращательное движение, в фазе свободного выпуска продукты сгорания через канал 56 и отверстие 18 поступают в перепускной канал 16 и сжимают воздух, при этом профиль скорости потока выравнивается сетчатой диафрагмой 25 и фронт раздела горячих газов и холодного воздуха близок к плоской форме, что препятствует перемешиванию горячего и холодного компонентов и проникновению продуктов сгорания в воздушный кожух-ресивер 8. После окончания фазы свободного выпуска окна 51 и 53 клапана соединяются с окном 57 выпускного патрубка 58 и продукты сгорания выпускаются в атмосферу или в нагнетатель, вход в перепускную камеру при этом перекрыт цилиндрической частью 50 клапана, сжатый воздух поступает в цилиндр через окна 4 и осуществляет вихревую прямоточную продувку его рабочей полости. В конце прямого хода клапан-распределитель 28 мягко останавливается пневмодемпфером 73 и упруго отражается обратно,

Реализацию данного способа в двигателях с клапанным газораспределением обеспечивает устройство, показанное на фиг. 7. действующее следующим образом. При открытии выпускного клапана 63 сжатые газы сообщают ускоренное движение золотниковому клапану-распределителю 64, который, перемещаясь по стержню управляемого клапана 63 и сжимая пружину 69, в фазе свободного выпуска соединяется отверстиями 66 с выпускным каналом 67 и далее с эходом в перепускной канал, затем канал 67 перекрывается юбкой 65, открывается канал 68 в выпускной патрубок и осуществляется продувка цилиндра воздухом из перепускного канала (или дозарядка соседнего цилиндра при четырехтактном цикле). Формула изобретения 1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем продувки цилиндра пред- варительно сжатым воздухом, дополнительного сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания и их выпуска с использованием импульсов давления в перепускном канале между выпускными и впускными патрубками, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, в начале выпуска продукты сгорания перепускают на вход перепускного канала, отсоединенного от впускного патрубка, воздух предварительно сжимают в перепускном канале, предварительно сжатый воздух направляют во впускной патрубок, во время дополнительного сжатия, сгорания и расширения продукты сгорания выпускают . из перепускного канала, связанного входом с выпускным патрубком, а выходом с впускным патрубком.

2.Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр

с впускными окнами, соединенными впускным патрубком с источником предварительно сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускным патрубком через выпускной коллектор, поршни, разме0 щенные в цилиндре с возможностью движения навстречу друг другу, перепускной канал, соединенный входом с выпускным патрубком, а выходом с впускным патрубком, отличающийся тем, что, с

5 целью повышения экономичности, он снабжен золотниковым клапаном с распределительными окнами, связанным с упругим возвратным элементом и подвижно установленным в выпускном патрубке с возмож0 ностью последовательного соединения входа перепускного канала с выпускным патрубком, с выпускным коллектором и соединения выпускного коллектора с выпускным патрубком, а во впускном патрубке

5 установлен обратный клапан.

3.Двигатель по п. 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что золотниковый клапан выполнен в виде цилиндрического стакана, снабженного стержнем, и распределительные окна

0 выполнены в боковой стенке стакана.

4.Двигатель по п. 2, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что золотниковый клапан выполнен в виде пустотелого сектора, установленного с возможностью поворота вокруг неподвиж5 ной оси, и распределительные окна выполнены в цилиндрической и торцовой стенках сектора,

5.Двигатель по пп, 2-4, отличающийся тем, что золотниковый клапан снабжен

0 демпферами-ограничителями хода.

.6. Двигатель по пп. 2, 3 и 5 - о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что упругий возвратный элемент выполнен в виде пневмоцилиндра с поршнем, соединенного с источником

5 предварительно сжатого воздуха.

7.Двигатель по п. 6, о т л и ч а ю щ и й- с я тем, что он снабжен дополнительным обратным клапаном, надпоршневая полость пневмоцилиндра соединена через до0 полнител ьный обратный клапан с перепускным каналом.

8.Двигатель по пп. 2-7, отличающий- с я тем, что упругий возвратный элемент снабжен регулятором возвратного усилия.

5 9. Двигатель по пп, 2, 3, 5, 6 и 8, о т л и- чающийся тем, что он снабжен управляемым газовым редуктором, надпоршневая полость пневмоцилиндра сообщена с источником предварительно сжатого воздуха через управляемый газовый редуктор , а

подпоршневая полость - с перепускным каналом.

10.Двигатель по пп. 2-9. отличающийся тем, что перепускной канал выполнен в виде камеры с заслонкой, установленной с возможностью поворота в камере и сопряженной с ней.

11.Двигатель по пп. 2-9, отличающийся тем, что перепускной канал выполнен в виде камеры с размещенной в ней неподвижной диафрагмой с отверстиями,

0

12.Двигатель по п 11,отличаю щи й- с я тем, что отверстия в диафрагме выполнены с диаметрами, уменьшающимися от периферии к ее центру.

13.Двигатель по п. 2, о т л и ч а ю щи й- с я тем, что выпускной патрубок снабжен управляемым выпускным клапаном, на его штоке подвижно установлен золотниковый клапан, выполненный в виде цилиндрического стакана, и распределительные окна выполнены в боковой стенке стакана.

Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания. Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными впускными патрубками с источником сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускными патрубками и входом в перепускной канал, выход которого сообщен с впускными окнами. Система газораспределения содержит обратный клапан во впускном патрубке и золотниковый клапан, посредством которого в фазе свободного выпуска продукта сгорания со значительным избыточным давлением направляются на вход перепускного канала, затем вход перекрывается золотниковым клапаном и выпуск газов происходит в выпускной патрубок, а продувка и наполнение осуществляются воздухом, сжатым в перепускном канале. Рассмотрены варианты золотникового клапана-распределителя с поступательным и вращательным движениями и с регулируемым в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя режимом работы, а также вариант, совместимый с двигателем, имеющим клапанное газораспределение. Изобретение обеспечивает более эффективное использование импульсов давления в выпускном тракте, повышает топливную экономичность, устраняет необходимость в агрегате турбонадду- ва, улучшает массогабаритные характеристики упрощает конструкцию. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил. сл

21

15

6

аА А

Фиг. 1

TV1 7

/41 / к1

к-1

62

16 25

А-А

/9 4

Фиг 2

5-6

Ш

12 13

0«гЗ

38

Фиг

35-4Й

Фиг 5

Фиг. 6