Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания Советский патент 1992 года по МПК F02B27/00 

Изобретение относится к энергетике, а именно к способам работы и устройствам ДВС, например двухтактных дизелей.

Известен способ газораспределения в 4-х тактном ДВС с клапанной системой газораспределения, характеризующийся использованием энергии импульса давления выпуска одного цилиндра для наддува другого цилиндра.

Известен способ газообмена ДВС и устройство для его осуществления, содержащий процесс выпуска продуктов горения в параллельно подключенных между впускным и выпускным патрубками турбонагнетатель и перепускной канал, причем в перепускном канале подвижно установлена перегородка в виде шара и кольцевой упор для нее.

Известен способ газообмена ДВС, характеризующийся тем, что в начале процесса свободного выпуска соединяют полость рабочей камеры со входом перепускного канала, затем разобщают рабочую камеру со входом перепускного канала и соединяют ее с выходом перепускного канала, с впускными и выпускными патрубками, в процессах сжатия, сгорания и расширения соединяют вход перепускного канала с выпускным патрубком, а выход перепускного канала с впускным патрубком.

Предложенная в способе последовательность управления газообмена реализуется в устройстве, содержащем золотниковый клапан с распределительными отверстиями, последовательно сообщающимися при ходе клапана с остальными выпускными окнами, со входом перепускного канала, с выпускным патрубком, причем во впускном патрубке установлен обратный клапан. Способ и устройство по указанной заявке положительно отличается от указанных выше устройств экономичностью и эффективностью газообмена при различных скоростных режимах работы, но они не исчерпывают возможностей для дальнейшего совершенствования. Например, известно, что энергия выпускных газов существенно превосходит ее затраты на организацию газообмена (поддувки) двухтактного ДВС, это обстоятельство используется для повышения мощности и экономичности в комбини- рованных поршневых двигателей, где избыток энергии выпускных газов реализуется в газовой турбине, связанной через понижающий редуктор с силовым валом двигателя. Таким образом, неполное ис- пользовзние энергии выпускных газов в указанном выше прототипе можно определить как его недостаток.

Цель изобретения - повышение экономичности.

На фиг.1 изображен один цилиндр двигателя в осевом разрезе; на фиг.2 - вариант двигателя со свободным дополнительным поршнем и с выпускным клапаном другой конструкции; на фиг.З - разрез А-А на фиг.2.

Двигатель содержит по меньшей мере

один цилиндр 1 с продольными ребрами 2 воздушного охлаждения, с форсункой 3, впускными окнами 4 и впускными окнами 5; внутри цилиндра с возможностью противоположного движения оппозитно установлены поршни 6 и 7, соединенные посредством шатунов 8 с коромыслами 9, которые поворотно сопряжены с качающимися втулками, установленными на косых кривошипах вала 10 двигателя. Головки поршней имеют

вставки 11, выполненные из жаропрочного материала, например, из стали или керамики, на внутренних поверхностях вставки выполнены охлаждающие ребра; вставка герметично и неподвижно соединена с остальной частью поршня, внутри поршня выполнены заодно целое с его юбкой гильзы № 12Ф и продольные ребра 13; гильзы подвижно, например, посредством лабиринтных уплотнений, сопряжены с

направляющими втулками 14, жестко закрепленными на концах цилиндра 1 Поверх сребренной поверхности цилиндра установлены кожух 15 и цилиндр-ресивер 16, концы которого соединены воздуховодом

17. Кроме того, с цилиндром ресивером 16 жестко соединен воздушный коллектор 18, который через отверстия 19 и обратный клапан 20 сообщен с помощью цилиндра ресивера 16, а через впускной патрубок 21 - с

низконапорным источником сжатого воздуха: нагнетаемым, например, установленной на валу двигателя крыльчаток, низконапорным (0.03 мПа) агрегатом трубонаддува или патрубком с резонансной длиной, использующим волновые явления на впуске Вблизи выпускных окон 5 на кожухе 45 с возможностью осевого перемещения до упора 22 установлен золотниковый клапан-распределитель 23 с внешней цилиндрической поверхностью,

управляющей выпускными отверстиями 24 и с внутренней цилиндрической поверхностью, управляющей перепуском газа через канавку 25 и отверстия 26. Клапан 23 снабжен пружинами 27, поджимающими его в

исходном состоянии к упору 22. Пружины могут быть другой конструкции, например, пневматическими. Клапан 23 делит полость цилиндра ресивера 16 на две части образующие основной перепускной канал 28, функционально соответствующий прототипу, и

дополнительный перепускной канал 29, пто- рой конец которого через первые обратные клапаны 30 сообщен с воздуховодом 17 и через вторые обратные клапаны 31 с охлаждающим каналом образованным ребрами 2, который через отверстия 23, 33, 34 соединен с подпоршневыми полостями 35, 36 выпускным патрубком, который тоже может иметь резонансную длину для создания раз- режения в момент выпуска или сообщаться со входом низконапорного турбонагнетателя. В дополнительном перепускном клапане 29 вблизи выпускных окон 5 установлена направляющая решетка 39, состоящая из набора колец, соединенных радиальными элементами. Выпускные отверстия 24 объединены выпускным коллектором 40 с выпускным патрубком 41, соединенным со входом турбины низконапорного турбонаг- нетателя. Обратные клапаны 20, 30, 31, 37 конструктивно выполнены в виде упругих нарезных колец, свернутых из пружинящей ленты и установленных в направляющих кольцевых канавках. Клапаны 31, 37 уста- новлены в одной общей проточке, которое обеспечивает его автоматическое открытие при падении давления в подпоршневых полостях 35 36 до минимальной величины. Часть отверстий 33 снабжена обратными клапанами 42. На фиг.2 изображен вариант устройства, имеющий следующие конструктивные особенности: в дополнительной пе- репускной полости установлен с возможностью осевого перемещения до- полнительный поршень 43 в виде пустотелого кольца, выполненного из левого жаропрочного материала, например, из титанового сплава или углепластика. Масса поршня в несколько раз меньше массы кла- пана 23. Со стороны холодного торца пор- шень имеет впускные отверстия 44 с четвертыми обратными клапанами 45 и дросселирующие отверстия 46, сообщающиеся с зазором в полости дополнительно- го перепускного канала 29 между поршнем и кожухом 15, образующими аэростатический подшипник. Поршень 43 снабжен цилиндрическими выступами 47 и 48, образующими в крайних положениях осево- го хода пневматические буферные полости, исключающие удары о стенки цилиндра-ресивера 16. Сопряжения между поршнем и стенками канала по наружному и внутреннему диаметрам выполнены с канавками ла- биринтныхуплотнений; выпускные клапаны подпоршневых полостей выполнены в виде шайб 49 с пружинами 50, имеющими oftVi- санное выше определенное усилие для автоматического открытия клапана, на торце поршня установлены толкатели 51 с пружинами 52. Возможно исполнение поршней без толкателей 51 и пружин 52, но с увеличенным ходом пружин 50 клапанов 49; поршни, выполненные с торцовой стенкой 53, а внутреннее оребрение поршня сообщено с воздушной форсункой 54.

Реализация способа работы и действие двигателя осуществляется следующим образом.

После прямоточно-вихревой продувки рабочей камеры цилиндра 1 через окна 4, 5 движущиеся навстречу друг другу поршни б, 7 осуществляют сжатие воздушного заряда, вблизи верхней мертвой точки форсункой 3 производится вприск топлива и его последующее сгорание в интенсивной вихревой зоне камеры сгорания. В конце процесса расширения (при угле поворота вала примерно 120° от В.М.Т), когда рабочая торцевая поверхность клапана 23 перемещаясь, обеспечивает свободный выпуск продуктов сгорания при значительном давлении (0 37 мПа) в дополнительный перепускной канал 29, вдоль которого распространяется ударная волна сжатия, под воздействием которой закрываются клапаны 30, 37 и открывается клапан 31, сжатый воздух через отверстия 32, через каналы между ребрами 2, отверстия 33, 34 проникает в подпоршневые полости 35, 36 и в каналы между ребрами 13 и, охлаждая их, нагревается. В процессе свободного выпуска решетка 39 устраняет турбулизацию и интенсивное перемешивание горячих газов с холодным воздухом, выравнивает фронт ударной волны. При фазе 140° клапан смещается дальше и его внутренняя кромка открывает кольцевую щель в канавку 25, и продукты сгорания через отверстия 26 расширяются в перепускной канал 28, осуществляя сжатие воздуха в полости канала и о воздуховоде 17, затем клапан перемещается в положение, при котором открываются выпускные окна 24 и впускные окна 4, осуществляется продувка рабочей камеры цилиндра 1 сжатым воздухом из полости 28. Одновременно сжатый воздух в воздуховоде 17 открывает клапаны 30 и обеспечивает продувку дополнительного перепускного канала 29; клапаны 31,37 при этом закрыты, клапан 23 сначала тормозится давлением сжатого воздуха, останавливается, а затем движется обратно. После перекрытия поршнями окон 4, 5 продуктов заканчивается, осуществляется процесс сжатия, при этом сжатый воздух о полостях 35, 36, давление которого существенно возросло от подогрева, расширяется и совершает полезную работу, уменьшая усилия на поршнях в процессе сжатия. Клапан 23 возвращается в

первоначальное положение, при котором выпуск газов происходит через отверстия 24 выпускные отверстия 24 открыты в канал 28, в турбонагреватель. Поджатие воздуха в ка- сжатый воздух из коллектора 18 отжимает нале 28 осуществляется при этом движени- клапаны 20 и через отверстия 19, 24 венти- ем поршня-клапана 23. лирует канал 28 от продуктов сгорания. В 5Формула изобретения

конце процесса сжатия давления в подпор-1. Способ работы двигателя внутреннешневых полостях 35, 36 падает и уже не го сгорания путем продувки цилиндра пред- обеспечивает поддержание клапанов 37 в варительно сжатым воздухом, закрытом состоянии; последние силами уп- дополнительного сжатия воздуха в цилинд- ругости автоматически открываются и обес- 10 ре, подачи топлива в сжатый воздух, сгора- печивают выпуск воздуха в процессе кия. расширения продуктов сгорания и их расширения через отверстия 38 в выпуск- выпуска с использованием импульсов дав- ной патрубок. Обратные клапаны 42 препят- ления в перепускном канале между выпуск- ствуют заклиниванию воздуха в полостях ным и впускным патрубками путем 36 и каналах между ребрами 2 обеспечивая 15 перепуска продуктов сгорания в начале выпри знакопеременных направлениях его пуска на вход перепускного канала, отсое- пульсации общее поступательное движение диненного от впускного патрубка, причем и замену горячего воздуха холодным. Дей- часть воздуха сжимают в перепускном кана- ствие варианта устройства (фиг.2) имеет ле, отличающийся тем, что, с целью следующие особенности: поршень 43 обес- 20 повышения экономичности, перед перелу- печивает разделение горячих продуктов ском продуктов сгорания на вход перепуск- сгорания и холодного воздуха в дополни- кого канала осуществляют перепуск тельной перепускной полости, позволяет продуктов сгорания на вход дополнительно- уменьшить коэффициент избытка продувоч- го перепускного канала, выход которого со- .ного воздуха, способствует более полному 25 единяют с подпоршневыми полостями использованию энергии выпускных газов цилиндра, во время продувки часть предва- благодаря устранению дросселирования и рительно сжатого воздуха направляют на мятия газа при ударном расширении в ка- выход дополнительного перепускного кана- нал 29. В процессе свободного выпуска в ла оставшиеся продукты сгорания направ- отверстия 44 через клапан 45 проникает 30 ляют в выпускной патрубок, соединяя его с сжатый воздух, который через дроссельные входом дополнительного перепускного ка- отверстия 46 поступает в зазор газостатиче- нала, а в фазе расширения воздух из под- ского подшипника и обеспечивает надеж- поршневых полостей цилиндра ное безы зносное и легкое движение перепускают в выпускной патрубок, поршня и бесконтактными уплотнениями. 35

Обратные клапаны 49, установленные на2. Двигатель внутреннего сгорания, сообоих концах цилиндра, закрываются толка- держащий по меньшей мере один цилиндр телями 51 при подходе поршня к н.м.т.; при с впускными окнами, соединенными впуск- положении поршня вблизи В.М.Т. они авто- ным патрубком с источником предваритель- матически открываются пружинами 40 и 40 но сжатого воздуха, и выпускными окнами, обесточивают выпуск воздуха через отвер- соединенными с выпускным патрубком че- стия 56. При отсутствии в конструкции тол- рез выпускной коллектор, поршни, разме- кателей 51 его функции выполняют щенные в цилиндре с возможностью непосредственно торцовая стенка 53 порш- движения навстречу друг другу, перепуск- ня. Вариация поршня с торцовой стенкой 53 45 ной канал, соединенный входом с выпуск- обеспечивает охлаждение поршня внешним ным патрубком через золотниковый источником воздуха через форсунку 54, при клапан-распределитель, а выходом - с впу- этом охлаждение может быть более эффек- скным патрубком, отличающийся тем. тивным благодаря, меньшей температуре что, с целью повышения экономичности, он воздуха. Возможен упрощенный вариант 50 выполнен с подпоршневыми полостями и способа работы и исполнения двигателя, ха- снабжен дополнительным перепускным ка- рактеризующийся тем, что из устройства ис- налом, вход которого соединен с выпускны- ключены канавки 25, отверстия 26, а ми окнами, и воздуховодом, соединяющим выпускные отверстия 24 на всех режимах через первые обратные клапаны выход пе- работы разобщены с каналом 28. Способы 55 репускного канала с выходом дополнитель- работы в этом варианте отличается тем, что ного перепускного канала, подпоршневые после сжатия и перепуска воздуха из канала полости соединены через вторые обратные 29 в поршневые полости 35, 36 в процессе клапаны с выходом дополнительного пересвободного выпуска исключается фаза пе- пускного канала и через третьи обратные репуска продуктов сгорания в канал 28 и клапаны с выпускным патрубком, а эолотниковый клапан-распределитель установлен в перепускном канале.

3.Двигатель по п 2, отличающийся тем, что дополнительный перепускной канал соединен с подпоршневыми полостями посредством воздушных каналов, образованных наружной поверхностью цилиндра с оребрением и установленным на ней кожухом.

4.Двигатель по пп.2 и 3, о т л и ч а ю щ и- й с я тем, что перепускные каналы выполнены в виде коакриального цилиндра-ресивера с выпускными отверстиями в наружной поверхности и перепускной канавкой на внутренней поверхности, а золотниковый клапан-распределитель выполнен в виде кольцевого поршня с радиальными отверстиями в направляющей поверхности.

5.Двигатель по пп.2-4, отличающийся тем, что подпоршневые полости в поперечном сечении выполнены кольцевой формы и сообщены с внутренними полостями поршней, выполненными сребренными.

6.Двигатель по пп.2-4, отличающийся тем, что внутренние полости поршней разобщены с подпоршневыми полостями и связаны с источником сжатого воздуха.

7.Двигатель по пп.2-6, отличающийся тем, что обратные клапаны выполнены в виде упругих разрезных колец, размещенных в кольцевых канавках на сопряженных

цилиндрических поверхностях.

8.Двигатель по пп.2-7, отличающийся тем, что в одной канавке установлены два совмещенных в осевом направлении кольца, одно из которых сопряжено с внутренней, а другое - с наружной цилиндрической поверхностью.

9.Двигатель по пп.2, 3, 4 и 6. о т л и ч а- ю щ и и с я тем, что третьи обратные клапаны выполнены в виде подпружиненных кольцевых шайб, сопряженных с торцовыми стенками подпоршневых полостей и поршней.

10.Двигатель по пп.2,3,4, б, 7 и 9, отличающийся тем, что в дополнительном перепускном канале установлен дополнительный поршень с возможностью осевого перемещения.

11.Двигатель по пп.2, 3, 4, 6. 7, 9 и 10, отличающийся тем, что дополнительный поршень выполнен с внутренней полостью и снабжен четвертыми обратными клапанами и дросселирующими отверстиями с возможностью сообщения внутренних полостей дополнительного поршня и дополнительного перепускного канала.

Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один цилиндр 1 со встречно движущимися поршнями 6 и 7, снабженными жаропрочными вставками 11 и внутренними ребрами 13. в котором посредством жестко установленных направляющих втулок 14 образуются подпоршневые полости 35 и 36. сообщенные с дополнительным перепускным каналом 29 с возможно28 П 16 24 Ы 40 29 35 III I / «JJ 156 120 стью использования импульсов давления продуктов сгорания, характеризуются свободным выпуском продуктов сгорания в до- полнительный перепускной канал 29, сжатием в нем воздуха и перепуском его в подпоршневые полости 35, 36. где он подогревается, расширяется и выпускается в процессе расширения. Кроме того, остаточное давление выпускных газов через золот- никовый клапан 23 передается в перепускной канал 28 и обеспечивает интенсивную продувку рабочей камеры, затем срабатывается в низконапорном трубонаг- нетателе. Рассмотрены варианты конструкции с коаксиальным расположением ресивера 16 с дополнительным свободным поршнем с обратными клапанами 29.30, 31. 37, 42. Способ и двигатель обеспечивают эффективное использование энергии расширения выпускных газов и повышение топливной экономичности двигателя. Кроме того, обеспечивается полезное использование тепла охлаждающего воздуха в подпор- шневых полостях при его расширении. 2 с. п. ф-лы и 9 з.п. ф-лы. 3 ил. 24 Ы 40 29 35 I / j&- ±±Ј:g ё v| VI О. 00 -N О Фиг

47 4J 1,6 М / /