Поршневой двигатель

Использование: энергомашиностроение, тепловозостроение, судостроение, авиация, тракторо- и автомобилестроение. Задача: повышении надежности двигателя и его экологичности путем обеспечения стехиометрического отношения компонентов топлива, возможности работы двигателя на любом виде топлива, включая ядерное (если применить газогенератор и ресивер), возможности работы двигателя в 2-, 4-, 6 и т.д. - тактных циклах, а также, возможности отключения цилиндров для экономии топлива при движении накатом или в иных экономичных режимах, т.е. без работы двигателя в режиме "компрессора", который присутствует у всех современных двигателей и тормозит движение автомобиля. Двигатель (первый вариант на фиг.1 - двигатель внешнего сгорания) содержит цилиндр 1 с расположенным в нем поршнем 2; коленчатый вал 3, соединенный при помощи шатуна 4 с поршнем 2; электроуправляемое устройство подачи рабочего тела, включающее электроуправляемый клапан 5, ресивер 6 и газогенератор 7, и электроуправляемое устройство 8 газообмена, выполненное в виде электроуправляемого клапана, расположенные; выпускное окно 10, выполненное в стенке цилиндра 1 в области нижней мертвой точки поршня 2; электронное устройство управления 11, а также датчики 12 углового положения коленчатого вала 3. Двигатель (второй вариант на фиг.2 - двигатель внутреннего сгорания) содержит цилиндр 1 с расположенным в нем поршнем 2; коленчатый вал 3, соединенный при помощи шатуна 4 с поршнем 2; электроуправляемое устройство подачи рабочего тела, включающее двухкомпонентную электроуправляемую форсунку 5, ресивер 6, турбокомпрессор 7, источники горючего 8 и 9 и электроуправляемые клапаны 10, 11, 12, и электроуправляемое устройство 13 газообмена, выполненное в виде электроуправляемого клапана; выпускное окно 15, выполненное в стенке цилиндра в области нижней мертвой точки поршня 2, электронное устройство управления 16, а также датчики 17 углового положения коленчатого вала 3. Кроме того, турбокомпрессор 7 подсоединен к выпускному трубопроводу двигателя (не показан), а ресивер 6 (для воздуха) установлен в напорном трубопроводе турбокомпрессора. Кроме того, роторный вал турбокомпрессора 7 выполнен инерционным за счет либо увеличения массы собственно ротора (не показан), либо путем установки на роторе маховика (также не показан). 1 нез.п. ф-лы; 2 илл.

Область техники к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, к поршневым двигателям внутреннего или внешнего сгорания, работающих на различных типах топлива.

Уровень техники

Известен двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с двумя выпускными окнами, поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом, два впускных канала с клапанами, размещенных в головке цилиндра, форсунку, камеру сгорания, образованную поршнем и головкой цилиндра, свечу зажигания (патент на изобретение СССР №16483, F02В 25/00, 1930).

Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии цилиндра с выпускными окнами, поршня, соединенного при помощи шатуна с коленчатым валом, и устройств подачи рабочего тела и газообмена.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что не определены момент впрыскивания топлива и доза впрыскиваемого топлива, а также высокая токсичность отработавших газов из-за присутствия в рабочей смеси масла, которое добавляется в топливо для смазки стенок гильзы и деталей кривошипно-шатунного механизма, что затрудняет полное сгорание топлива, сложности поддержания оптимального состава топливовоздушной смеси (1:14,7) и низкой адаптации к различным режимам работы двигателя.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является двухтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр с двумя выпускными

окнами, поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом, два впускных канала с клапанами, размещенные в головке цилиндра, форсунку, камеру сгорания, образованную поршнем и головкой цилиндра, свечу зажигания, при этом в головке цилиндра установлены датчик контрольного давления воздуха и устройство управления клапанами, каждое из которых содержит последовательно и кинематически связанные коромысло, штангу, толкатель, противовес коленчатого вала с эксцентриком и пружину возврата клапана в исходное состояние, размещенную на клапане между головкой цилиндра и коромыслом (Патент RU №2231657, кл. F02B 25/00, опубликовано 2004.06.27).

Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного решений, заключаются в наличии цилиндра с расположенным в нем поршнем, установленным с возможностью движения между его верхней и нижней мертвыми точками, коленчатого вала, соединенного при помощи шатуна с поршнем, а также устройств подачи рабочего тела и газообмена.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что система подачи воздуха выполнена классически, т.е. присутствует механический привод, а именно, кулачок, роль которого играет эксцентрик противовеса коленчатого вала, коромысло, штанга, толкатель, пружина, регулировочный винт, упор. Главный элемент системы подачи воздуха - впускные клапаны, имеющие классический вид. При этом датчик контрольного давления воздуха оттарирован на постоянное давление (2 атм.), устанавливаемое регулировочной гайкой. Стехиометрическое соотношение сгораемых окислителя (воздуха в данном случае) и топлива должно составлять соотношение 14,7:1, однако известный двигатель в рабочем режиме это соотношение не поддерживает, а если и поддерживает, то только при строго-определенных оборотах двигателя, т.к. датчик контрольного давления воздуха механически оттарирован на постоянное

давление подаваемого воздуха, при котором открывается форсунка подачи топлива. Форсунка подачи топлива имеет линейную пропускную зависимость подачи топлива, т.е. фактически клапан контрольного давления подачи топлива задает время открытия форсунки: чем раньше возникает требуемое давление воздуха (2 атм.), тем больше время открытия форсунки, значит, больше топлива попадет в цилиндры двигателя. Зависимость количества топлива от времени также линейная, т.к. остальные параметры узла (давление подаваемого топлива, размеры деталей, которые подают топливо в камеру сгорания, производительность форсунки и т.д.) составляют постоянную величину. В известном двигателе стехиометрическое соотношение определяется соотношением масс (веса) сгораемых окислителя и топлива, поэтому подаваемый в двигатель под давлением воздух и регулируемое давлением время открытия форсунки не является показателем абсолютной величины, т.е. массы подаваемого в цилиндр воздуха, в строгом соответствии с которым (в соотношении 14,7:1) в цилиндр должно поступать необходимое количество топлива. Другими словами, регулирование количества топлива идет по одной функции - давлению подаваемого воздуха (а не массы), т.к. вторая потенциальная функция (регулирование подачи подаваемого топлива в зависимости от массы поданного воздуха) в известном двигателе исключена именно вследствие использования клапана-датчика контрольного давления воздуха, настроенного механически на одну величину (на одно давление). Таким образом, подаваемый в цилиндр под разным давлением воздух имеет при одних и тех же параметрах работы двигателя (число оборотов двигателя, нагрузка двигателя, температура двигателя и подаваемого воздуха и т.д.) нелинейную зависимость нарастания давления в цилиндре в процессе сжатия. А так как клапан-датчик оттарирован на одну постоянную величину давления открытия форсунки, количество подаваемого топлива имеет прямолинейную зависимость от времени открытия

клапана-датчика, давление сжатия воздуха в цилиндре имеет нелинейную зависимость от угла поворота коленвала, а угол поворота коленвала зависим от времени (фактически изменение давления сжимаемого воздуха является тоже функцией времени), то получается несоответствие фактического соотношения компонентов топлива в известном двигателе заявленному стехиометрическому соотношению (14,7:1) масс подаваемых окислителя (воздуха, в данном случае) и топлива.

В известном двигателе основной функцией регулирования соответствия стехиометрического соотношения (14,7:1) является давление подаваемого воздуха, а не масса подаваемого воздуха, как это имеет место в современных классических двигателях. Отсюда следует, что при одном и том же объеме и массе давление газообразного вещества может быть различным. Это значит, что управляемое форсункой давление не может определять количество подаваемого топлива, так как масса воздуха может значительно отличатся от стехиометрического соотношения. Кроме того, в известном двигателе невозможно регулирование количества подаваемого топлива в зависимости от температуры двигателя и подаваемого воздуха, так как соотношение массы горючего и массы окислителя будет иное, чем стехиометрическое соотношение.

Сущность полезной модели

Задача, на решение которой направлена модель, заключается в повышении надежности двигателя и его экологичности путем обеспечения стехиометрического отношения компонентов топлива, возможности работы двигателя на любом виде топлива, включая ядерное (если применить газогенератор и ресивер), возможности работы двигателя в 2-, 4-, 6 и т.д. - тактных циклах, а также, возможности отключения цилиндров для экономии топлива при движении накатом или в иных экономичных режимах, т.е. без работы двигателя в режиме "компрессора", который

присутствует у всех современных двигателей и тормозит движение автомобиля.

Технический результат, опосредствующий решение указанной задачи, заключается в исключении механической системы газораспределения (т.е. в исключении головки блока цилиндров) и управлении подачи каждого компонента топлива отдельно.

Достигается технический результат тем, что поршневой двигатель содержит цилиндр с расположенным в нем поршнем, установленным с возможностью движения между его верхней и нижней мертвыми точками, коленчатый вал, соединенный при помощи шатуна с поршнем, как минимум одно электроуправляемое устройство подачи рабочего тела и как минимум одно электроуправляемое устройство газообмена, расположенные в торце цилиндра в области верхней мертвой точки поршня, как минимум одно выпускное окно, выполненное в стенке цилиндра в области нижней мертвой точки поршня, электронное устройство управления, а также датчики углового положения коленчатого вала, соединенные с входами устройства управления, выходы которого соединены с управляющими входами упомянутых электроуправляемых устройств подачи рабочего тела и газообмена.

Новые признаки заявленного технического решения заключаются в наличии как минимум одного электроуправляемого устройства подачи рабочего тела, как минимум одного электроуправляемого устройства газообмена, электронного устройства управления, а также датчиков углового положения коленчатого вала, соединенных с входами устройства управления, выходы которого соединены с управляющими входами упомянутых электроуправляемых устройств подачи рабочего тела и газообмена.

Перечень фигур чертежей

На фиг.1 схематично показан поршневой двигатель в варианте внешнего сгорания топлива; на фиг.2 - поршневой двигатель в варианте внутреннего сгорания топлива; на обоих фигурах 1 и 2 поршень показан находящимся вблизи нижней мертвой точки, когда выпускные окна открыты.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели

Поршневой двигатель по первому варианту его выполнения представляет собой двигатель внешнего сгорания (фиг.1).

Он содержит:

- цилиндр 1 с расположенным в нем поршнем 2, установленным с возможностью движения между его верхней и нижней мертвыми точками;

- коленчатый вал 3, соединенный при помощи шатуна 4 с поршнем 2;

- как минимум одно электроуправляемое устройство подачи рабочего тела, включающее электроуправляемый клапан 5, ресивер 6 и газогенератор 7, и как минимум одно электроуправляемое устройство 8 газообмена, выполненное в виде электроуправляемого клапана, расположенные в торце 9 цилиндра 2 в области верхней мертвой точки поршня 2;

- как минимум одно выпускное окно 10, выполненное в стенке цилиндра 1 в области нижней мертвой точки поршня 2;

- электронное устройство управления 11, а также датчики 12 углового положения коленчатого вала 3, соединенные с входами устройства управления 11, выходы которого соединены с управляющими входами упомянутых электроуправляемых клапанов 5 и 8.

Поршневой двигатель по второму варианту его выполнения представляет собой двигатель внутреннего сгорания (фиг.2). Он содержит:

- цилиндр 1 с расположенным в нем поршнем 2, установленным с возможностью движения между его верхней и нижней мертвыми точками;

- коленчатый вал 3, соединенный при помощи шатуна 4 с поршнем 2;

- как минимум одно электроуправляемое устройство подачи рабочего тела, включающее двухкомпонентную электроуправляемую форсунку 5, ресивер 6, турбокомпрессор 7, источники горючего 8 и 9 и электроуправляемые клапаны 10, 11, 12, и как минимум одно электроуправляемое устройство 13 газообмена, выполненное в виде электроуправляемого клапана, при этом форсунка 5 и клапан 13 расположены в торце 14 цилиндра 1 (т.е. в области верхней мертвой точки поршня 2);

- как минимум одно выпускное окно 15, выполненное в стенке цилиндра в области нижней мертвой точки поршня 2,

- электронное устройство управления 16, а также датчики 17 углового положения коленчатого вала 3, соединенные с входами устройства управления 16, выходы которого соединены с управляющими входами упомянутых электроуправляемых клапанов 10, 11, 12, 13.

Кроме того, турбокомпрессор 7 подсоединен к выпускному трубопроводу двигателя (не показан), а ресивер 6 (для воздуха) установлен в напорном трубопроводе турбокомпрессора. Форсунка 5 одним своим входом через клапан 10 соединена с ресивером 6, а другим своим входом через клапаны 11 и 12 соединена с источниками (топливными баками) бензина 8 и дизельного горючего 9. При этом источников горючего может быть как два (как показано на фиг.2), так и другое количество, например, один - с бензином или с дизельным горючим. В последнем случае вместо двух клапанов 11 и 12 система будет содержать только один клапан 11. Кроме того, роторный вал турбокомпрессора 7 выполнен инерционным за счет либо увеличения массы собственно ротора (не показан), либо путем установки на роторе маховика (также не показан). Выполнение ротора инерционным дает возможность аккумулирования

кинетической энергии его вращения, что делает работу форсунки 5 мало зависимой от режима работы двигателя. Наличие ресивера 6 усиливает данный эффект и тем самым обеспечивает устойчивую работу форсунки 5 при варьировании режима работы двигателя в широких пределах.

Работа двигателя по первому варианту его выполнения заключается в следующем (фиг.1).

В исходном положении поршень 2 находится в области верхней мертвой точки его положения (т.е. вблизи торца 9 цилиндра 2). Если указанное условие начального расположения поршня в момент пуска двигателя не выполнено (как показано на фиг.1), то стартером (не показан) обеспечивается принудительный поворот вала 3 для обеспечения упомянутого положения поршня. При этом включают газогенератор 7, который, сжигая топливо, создает в ресивере 6 необходимое давление газа. Далее устройство управления 11 (бортовой компьютер), располагая соответствующей информацией о положении поршня 2 от датчиков 12, подает электрический импульс на клапан 5 и тем самым открывает этот клапан на заданное время. В результате этого в цилиндр 1 поступает порция газа под давлением (рабочее тело) который заставляет поршень 2 двигаться в сторону нижней мертвой точки (в направлении окон 10). При подходе к нижней мертвой точки поршень 2 проходит мимо окон 10, которые вследствие этого открываются для газообмена и через них газ (большая его часть) выходит наружу. Пройдя нижнюю мертвую точку, поршень 2 по инерции двигается обратно в сторону верхней мертвой точки. При этом поршень 2 вновь проходит мимо окон 10, но в обратном направлении, закрывая их для газообмена. В то же время, устройство управления 11 (бортовой компьютер), располагая соответствующей информацией о движении поршня от датчиков 12, подает электрический импульс на клапан 8 и тем самым открывает этот клапан на заданное время. В результате этого из цилиндра 1 удаляются остатки газа предыдущей

порции и при подходе поршня к верхней мертвой точки вышеописанный цикл повторяется.

Работа двигателя по второму варианту его выполнения заключается в следующем (фиг.2).

В исходном состоянии, когда двигатель не работает, ресивер 6 должен иметь определенный запас воздуха с минимально необходимым давлением для обеспечения начальной подачи топливной смеси в цилиндр двигателя и работы пневмостартера. На тот случай, если в ресивере нет воздуха, устройство подача рабочего тела должно иметь небольшой компрессор с электрическим приводом для начального заполнения ресивера 6 воздухом до минимально необходимого давления.

В процессе работы двигателя устройство управления 16 (бортовой компьютер), к которому подсоединены управляющие входы клапанов 10, 11 и 12, в определенные моменты времени, определяемые автоматически исходя из необходимого режима работы двигателя, подает сигнал на открытие клапана 10 и одновременно одного из клапанов 11, 12 в течении заданного периода времени. Вследствие этого в течение указанного периода времени в форсунку 5 из ресивера 6 поступает воздух, а из одного из топливных баков 8 или 9 поступает соответствующее горючее. При этом для поступления горючего в форсунку (если это бензин) не обязательно применение топливного насоса высокого давления; бензин может поступать за счет эжекторного эффекта, который возможно создать в форсунке 5 без применения эжектора как отдельного устройства. Если же для работы двигателя используется дизельное горючее, то указанный насос необходим.

В форсунке 5 происходит смешивание воздуха и горючего в необходимой пропорции, определяемой степенью открывания того или иного клапана. Образовавшаяся таким образом смесь горючего с воздухом через форсунку 5 поступает в рабочий цилиндр 1 двигателя, где эта смесь

сгорает с образованием газа (рабочего тела). При этом для сгорания бензина устройство подачи рабочего тела должно иметь также свечу зажигания.

В общем случае устройство подачи рабочего тела может содержать не одну форсунку 5, а несколько для раздельной подачи компонентов топлива (горючего и окислителя). В любом случае изменение режима работы двигателя осуществляется блоком управления (бортовым компьютером) автоматически путем изменения количественного состава смеси, изменения качественного состава этой смеси (изменение вида горючего - бензин или дизельное горючее), а также путем изменения способа выполнения рабочего цикла двигателя, что делает двигатель универсальным, снижает его стоимость, повышает мощность и кпд, а также экономит топливо.

В остальном работа двигателя по второму варианту аналогична описанной выше работе двигателя по первому варианту. При этом окна 15 и клапан 13 во втором варианте двигателя (фиг.2) выполняют те же функции, что и соответствующие окна 10 и клапан 8 в первом варианте двигателя (фиг.1).

Поршневой двигатель, содержащий цилиндр с расположенным в нем поршнем, установленным с возможностью движения между его верхней и нижней мертвыми точками, коленчатый вал, соединенный при помощи шатуна с поршнем, как минимум одно электроуправляемое устройство подачи рабочего тела и как минимум одно электроуправляемое устройство газообмена, расположенные в торце цилиндра в области верхней мертвой точки поршня, как минимум одно выпускное окно, выполненное в стенке цилиндра в области нижней мертвой точки поршня, электронное устройство управления, а также датчики углового положения коленчатого вала, соединенные с входами устройства управления, выходы которого соединены с управляющими входами упомянутых электроуправляемых устройств подачи рабочего тела и газообмена.