Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания

Предложенная конструкция относится к автомобильной промышленности, в частности к четырехтактным ДВС с электронным впрыскиванием топливных компонентов. Эта задача решена в предложенном ДВС, который содержит по меньшей мере один цилиндр с размещенным внутри него поршнем, кинематически связанным с коленчатым и газораспределительным валами, последний из которых предназначен для открытия и закрытия впускного и выпускного клапанов, установленных в соответствующих патрубках, системы электронной подачи воды и топлива подсоединенные ко входному патрубку для последовательного впрыскивания воды, а потом топлива в камеру сгорания через управляемые форсунки в такте «впуск», для чего в блоке управления выполнены соответствующие настройки. Существенно новыми признаками предложенного ДВС являются: - выполнение системы подачи воды с электронным впрыскиванием; - подсоединение ее к подводящему патрубку; - выполнение впрыскивания в камеру сгорания сначала воды, а потом топлива в такте «впуск», что обеспечено соответствующей настройкой блока управления форсунками. В частном случае выполнения ДВС в нем система электронной подачи воды снабжена подогревателем, например, за счет размещения трубопровода системы в выхлопном патрубке и выполнения его в виде змеевика. Задачей, которую автор решал при разработке предлагаемой конструкции ДВС, являлось повышение КПД ДВС за счет повышения работы производимой по перемещению поршня паром. Как показывают предварительные расчеты в предлагаемом ДВС, на 25-30% повышается КПД, уменьшается на 1,5-2 литра расход топлива на 100 км. пути, а выхлопные газы удовлетворяют последним европейским требованиям по экологии выхлопа. В настоящее время автором проводятся подготовительные работы по изготовлению опытного образца ДВС на базе автомобиля ВАЗ.

Предложенная конструкция относится к автомобильной промышленности, в частности к четырехтактным ДВС с электронным впрыскиванием топливных компонентов.

В настоящее время в условиях постоянно дорожающего топлива и ухудшающихся экологии в мировой автомобильной промышленности проводятся большие поисковые работы по созданию ДВС, обладающих повышенным КПД, пониженным расходом топлива и экологически чистым выхлопом.

Известно много различных путей, по которым ведется это работа: это и оптимизация работы механических узлов ДВС, и электронное дозирование и впрыскивание топлива, применение новых схем работы ДВС, например, с т.н. продолженным расширением, организация работы ДВС на разных видах топлива в зависимости от условий эксплуатации, разработка ДВС на альтернативных видах топлива и т.п.

Одним из направлений, позволяющих вести работу по улучшению вышеуказанных параметров ДВС является ДВС с добавкой в топливо водной компоненты, которая позволяет существенно влиять на параметры сгорания топлива, динамику газодинамических процессов горения, и, как следствие, на КПД двигателя, его экономичность и экологию выхлопа.

Известен ДВС (1), в котором впрыскивание воды в цилиндры производится в конце такта сжатия специальным насосом, поддерживающим в системе охлаждения ДВС давление воды 15 атм.

Недостатками данного ДВС являются:

- существенное усложнение конструкции ДВС из-за объединения системы охлаждения с системой впрыскивания воды;

- низкий процент прироста КПД ДВС от работы производимой водяным паром при расширении пара из-за впрыскивания подогретой воды в конце такта сжатия;

- использование для впрыскивания воды из системы охлаждения, насыщенной солями, которые будут осаждаться в ДВС при эксплуатации и снижать живучесть ДВС.

Известен ДВС (2), в котором впрыскивание воды производится в такте «рабочий ход» непосредственно в цилиндр с целью охлаждения блока цилиндров при работе ДВС и улучшения экологии выхлопа.

Недостатком данного ДВС является низкий процент прироста КПД ДВС от работы производимой водяным паром при расширении из-за впрыскивания подогретой воды в конце такта «рабочий ход».

Известен ДВС (3), в котором производят кольцевое впрыскивание воды через форсунку во время такта «рабочий ход» для охлаждения блока цилиндров, организуя после выпуск паров воды и газа в теплообменное устройство для последующего вторичного использования воды.

Недостатками данного ДВС являются:

- усложнение конструкции ДВС из-за организации кольцевого впрыскивания воды;

- низкий процент прироста КПД ДВС от работы производимой водяным паром при расширении из-за впрыскивания подогретой воды во время такта «рабочий ход».

Вышеуказанный ДВС (3) взят автором в качестве прототипа предложенному, как наиболее близкий по технической сути, так и по достигаемому техническому эффекту при использовании.

Задачей, которую автор решал при разработке предлагаемой конструкции ДВС, являлось повышение КПД ДВС за счет повышения работы производимой по перемещению поршня паром.

Эта задача решена в предложенном ДВС, который содержит по меньшей мере один цилиндр с размещенным внутри него поршнем, кинематически связанным с коленчатым и газораспределительным валами, последний из которых предназначен для открытия и закрытия впускного и выпускного клапанов, установленных в соответствующих патрубках, системы электронной подачи воды и топлива подсоединенные ко входному патрубку для последовательного впрыскивания воды, а потом топлива в камеру сгорания через управляемые форсунки в такте «впуск», для чего в блоке управления выполнены соответствующие настройки.

Существенно новыми признаками предложенного ДВС являются:

- выполнение системы подачи воды с электронным впрыскиванием;

- подсоединение ее к подводящему патрубку;

- выполнение впрыскивания в камеру сгорания сначала воды, а потом топлива в такте «впуск», что обеспечено соответствующей настройкой блока управления форсунками.

В частном случае выполнения ДВС в нем система электронной подачи воды снабжена подогревателем, например, за счет размещения трубопровода системы в выхлопном патрубке и выполнения его в виде змеевика.

Существенно новым признаками ДВС в частном случае его выполнения являются:

- снабжение системы подачи воды узлом подогрева воды;

- выполнение узла подогрева в виде размещенной в выхлопной трубе части трубопровода системы, выполненного в виде змеевика.

По мнению автора вышеуказанные признаки можно отнести к существенным, т.к. в совокупности с остальными они позволили на 20-30% повысить КПД ДВС, за счет лучшей организации условий парообразования в цикле и увеличения доли прироста работы, производимой паром в такте «рабочий ход».

Предлагаемый четырехтактный ДВС с электронной подачей топливных компонентов представлен на фиг 1-5, где:

- на фиг.1 представлен общая схема ДВС в конце такта «выпуск»;

- на фиг.2 представлен момент начала впрыскивания водной компоненты в такте «впуск»;

- на фиг.3 представлены моменты конца впрыскивания водной компоненты и начала впрыскивания топливной компоненты в такте «впуск»;

- на фиг.4 представлены моменты конца впрыскивания топливной компоненты в конце такта «впуск» и начала такта «сжатие»;

- на фиг.5 представлены моменты конца такта «сжатие» и воспламенения рабочей смеси;

- на фиг.6 представлен моменты конца такта «рабочий ход» и начала такта «выпуск».

Предлагаемый ДВС содержит цилиндр 1, в котором установлен поршень 2, соединенный посредством кривошипо-шатунного механизма 3 с коленчатым валом 4.

Последний через шестеренчатую пару и кулачки газораспределительного вала (на схеме не показаны) имеет возможность взаимодействия с впускным 5 и выпускным 6 подпружиненными клапанами, которые установлены в головке цилиндра и соединены с впускным 7 м выпускным 8 патрубками.

Во впускном патрубке 7 установлены электромагнитные форсунки 9 и 10, для впрыскивания воды и топлива, связанные с системой подачи воды и подачи топлива соответственно.

Система подачи воды помимо форсунки 9 имеет последовательно соединенные патрубками бак 11, насос 12 и подогреватель, который может быть выполнен в виде проточного змеевика 13, установленного в выпускном патрубке 8.

В частном случае выполнения ДВС последний может быть снабжен узлом конденсации воды из выхлопных газов, который может быть выполнен в виде охлаждаемой, например, за счет набегающего воздуха емкости 14, вход 15 которой соединен с выходом патрубка 8, один из выходов 16 соединен с баком 11, а второй выход 17 соединен с атмосферой.

Система подачи топлива кроме форсунки 10 имеет бак 18 и насос 19.

Оба насоса и 12 и 19 могут выполнены электромеханическими, например, турбинного типа, также как и форсунки 9 и 10.

Блок 20 управления работой электромагнитными форсунками подсоединен своими входами к датчику 21 положения коленчатого вала 4, а выходами - к исполнительным обмоткам форсунок 9 и 10.

Система зажигания в предлагаемом ДВС-типовая от катушки зажигания на свечу и на схеме показана условно под номером 22.

Работа предлагаемого ДВС по тактам производится следующим образом.

В такте «впуск» открывается клапан 5 и воздух начинает всасываться в полость цилиндра 1.

В соответствии с настройкой датчика 21 положения коленчатого вала 4, блоком управления 20 выдается сигнал на срабатывание электромагнитной форсунки 9 подачи воды и в полость цилиндра 1 впрыскивается распыленная подогретая вода и активно смешивается с воздухом.

Через некоторое время, которое зависит от заданного режима работы ДВС, (чем более обороты тем больше воды тем большее время работа форсунки) форсунка 9 по сигналу блока управления 20 закрывается и подача распыленной воды прекращается

В это время воздух продолжает поступать в полость цилиндра 1.

Далее в зависимости от заданного режима работы ДВС с блока управления 20) подается сигнал на срабатывание форсунки 10.

В полость цилиндра начинает впрыскиваться распыленное топливо и смешиваться с засасываемым воздухом.

В конце такта по сигналу с блока управления 20 закрывается форсунка 10 и подача распыленного топлива прекращается.

Клапан 5 закрывается.

Такт сжатия, (фиг.4).

Клапаны 5 и 6 закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Смеси, которые образовались во время такта «впуск», не успевают за столь короткий промежуток времени перемешаться между собой, поэтому происходит как бы «послойное» их сжатие.

В конце такта образуются как бы три сжатых слоя, это слой воздушно-водяной смеси, слой воздуха, и слой топливо-воздушной смеси.

Такт «рабочий ход», (фиг.5).

После воспламенения топливо-воздушной смеси системой воспламенения 22, происходит процесс ее горения, в котором значительная доля тепла расходуется на нагрев водяной компоненты, которая под воздействием высоких температур и давления, мгновенно закипает с образованием перегретого пара.

В результате расширения образовавшегося пара давление в полости цилиндра существенно возрастает и под его давлением поршень движется от ВМТ к НМТ.

Такт «выпуска» отработавших газов, (фиг.1).

В конце такта «рабочий ход» газораспределительным механизмом открывается выпускной клапан 6 и отработавшие газы вытесняются из полости цилиндра поршнем 2 в выходной патрубок 8.

При этом, отработавшие газы, обтекая змеевик 13, нагревают воду в системе подачи воды.

Далее цикл повторяется.

Все детали и узлы двигателя выполнены из стандартных материалов для автомобилестроения с использованием известных технологий.

Как показывают предварительные расчеты в предлагаемом ДВС, на 25-30% повышается его КПД, уменьшается на 1,5-2 литра расход топлива на 100 км. пути, а выхлопные газы удовлетворяют третьему сертификату европейских требований без всяких технологических добавок.

В настоящее время автором проводятся подготовительные работы по изготовлению опытного образца ДВС на базе автомобиля ВАЗ.

Литература.

1. Патент РФ на изобретение 2099554 от 20.12.1997 г. МПК: F02B, 47/02

2. Патент РФ на изобретение 2053390 от 01.03.1993 г., МПК: F02B, 47/02

3. Патент РФ на изобретение 2069274 от 20.11.1992 г. МПК: F02B, 47/02

1. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр с размещенным внутри него поршнем, кинематически связанным с коленчатым и газораспределительным валами, последний из которых предназначен для открытия и закрытия впускного и выпускного клапанов, установленных в соответствующих патрубках, системы электронной подачи топлива, подсоединенная ко входному патрубку, система подачи воды, блок формирования сигнала на срабатывание форсунок, отличающийся тем, что система подачи воды выполнена электронной, подсоединена ко входному патрубку, также как и система подачи топлива для последовательного впрыскивания воды, а потом топлива в камеру сгорания через управляемые форсунки в такте «впуск», для чего в блоке управления выполнены соответствующие настройки.

2. Четырехтактный ДВС по п.1, отличающийся тем, что система электронной подачи воды выполнена с подогревом воды, например, за счет теплообменника, размещенного в выхлопном патрубке.