Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и четырехтактный двигатель внутреннего сгорания для осуществления способа

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к способам работы четырехтактных двигателей внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение топливной экономичности, ресурса, надежности двигателя, а также снижение токсичности его отработавших газов. Сущность изобретения заключается в том, что в четырехтактном двигателе, включающем подачу смеси в цилиндр, ее сжатие, воспламенение и продувку рабочего объема, при работе на частичных режимах во время движения поршня в верхнюю мертвую точку (ВМТ) в процессе сжатия часть смеси из рабочего объема отбирают и дожимают в цилиндре оставшуюся часть, а в процессе расширения направляют отобранную часть смеси в дополнительную емкость. На режиме продувки во время движения поршня в ВМТ вводят в полость за поршнем смесь до объема, равного рабочему объему, а на режиме впуска в цилиндр направляют полный рабочий объем смеси, включающий отобранный на режиме сжатия и введенный в полость за поршнем. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области двигателестроения, а конкретно к способам работы и устройствам четырехтактных двигателей внутреннего сгорания.

Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (см. а.с. N 968496, опубл. 23.10.82 г. БИ N 39), в котором степень расширения больше, чем степень сжатия. Двигатель содержит рабочий цилиндр, впускной и выпускной клапаны, устройство смесеобразования; механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение коленчатого вала, включающий кривошипно-шатунный механизм. Двигатель имеет два коленвала, связанных зубчатой передачей, при этом рычаг первого коленвала соединен с шатуном и рычагом второго коленвала. Двигатели этого типа имеют большие габаритные размеры и низкий механический КПД.

Известен опыт работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания и двигатель для осуществления способа, принятый за прототип, (см. патент РФ N 2073100, МКИ F 02 B 25/08, 25/22, опубл. 10.02.97 г.). Способ работы включает подачу топливовоздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие ее при движении поршня в верхнюю мертвую точку, воспламенение, продувку рабочего объема и впуск свежей топливо-воздушной смеси в рабочий объем. Двигатель содержит рабочий цилиндр с размещенными в нем двумя противоположно движущимися поршнями, соединенными с механизмом для преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала. Цилиндр имеет торцевые стенки, а поршни - двусторонние днища. Горячие днища образуют между собой рабочий объем, а холодные днища образуют с торцевыми стенками продувочные насосы.

Двигатель имеет ограниченный ресурс, недостаточную надежность и большой расход топлива вследствие высокой теплонапряженности двухтактного цикла.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение заключается в повышении ресурса, надежности, топливной экономичности, а также снижении выхода токсичных веществ.

Технический результат достигается тем, что в способе работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающем подачу топливовоздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие смеси при движении поршня в верхнюю мертвую точку, воспламенение ее, продувку рабочего объема и впуск свежей топлововоздушной смеси в рабочий объем, на частичных режимах при движении поршня в верхнюю мертвую точку в процессе сжатия, часть топливовоздушной смеси из рабочего объема отбирают в дополнительный объем и дожимают оставшуюся часть, на режиме продувки при движении поршня в верхнюю мертвую точку вводят в полость за поршнем топлововоздушную смесь до объема равного рабочему объему, на режиме впуска в цилиндр направляют полный рабочий объем топливовоздушной смеси, включающий отобранный на режиме сжатия и дополнительно введенный в полость за поршнем. При движении поршня в верхнюю мертвую точку в процессе сжатия отбирают часть топливовоздушной смеси из рабочего объема за счет давления поршней в рабочем объеме и одновременно за счет разрежения за поршнем. Подачу топлововоздушной смеси в рабочий объем на всех режимах осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, равным единице.

Технический результат в устройстве для осуществления способа достигается тем, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, снабженный впускным и выпускным клапанами, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, устройство смесеобразования. Новым является то, что рабочий цилиндр снабжен перепускным клапаном, полостью с отсечным клапаном за одним из поршней, ресивером, при этом перепускной клапан сообщен через ресивер с впускным клапаном и с отсечным клапаном полости за поршнем, которая снабжена окном, сообщенным с системой смесеобразования. Полость за поршнем образована задней стенкой поршня и торцевой стенкой цилиндра. Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала включает качающиеся качалки, шарнирно соединенные посредством шатунов с коленчатым валом и снабженные эксцентриковыми опорами в картере. Двигатель снабжен также механизмом управления перепускным и отсечным клапанами, который включает распределительный вал с кулачками переменного профиля, установленными с возможностью их перемещения вдоль него, при этом распределительный вал связан механизмом привода с коленчатым валом двигателя и с механизмом изменения степени сжатия и мощности двигателя. Кроме того, кривошипы шатунов, связанных с качалками поршней, смещены на угол, например, 12... 20^o. Торцевая стенка цилиндра, образующая полость за поршнем, выполнена с возможностью ее перемещения вдоль оси цилиндра, что позволяет изменять объем этой полости.

На фиг. 1 представлен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания.

На фиг. 2 представлена схема работы двигателя внутреннего сгорания на режимах частичной нагрузки.

На фиг. 3 представлена схема работы двигателя внутреннего сгорания на полной нагрузке.

Сущность способа заключается в следующем. Используется схема продолженного расширения, при котором степень расширения больше, чем степень сжатия. При этом происходит циркуляция части топливовоздушной смеси из рабочего объема в дополнительный объем и в полость за поршнем, а общее количество рабочей смеси, проходящей через двигатель, остается постоянной. Это позволяет исключить из конструкции карбюратора или газового смесителя дроссельную заслонку, а подачу топлива регулировать аналогично системе холостого хода. Без дроссельной заслонки на частичных нагрузках не создается дополнительное сопротивление, поэтому скоростная характеристика более пологая. Схема продолженного расширения позволяет увеличить КПД цикла за счет более полного использования энергии отработавших газов и уменьшения насосных потерь, и кроме того такая схема характеризуется незначительным изменением удельного расхода топлива в широком диапазоне нагрузок. Изменение мощности осуществляется путем регулирования объема заряда с одновременным изменением степени сжатия и, соответственно переменным ходом сжатия при постоянном ходе расширения. Так, при снижении нагрузки на 50% удельный расход топлива данного двигателя не изменится, тогда как при количественном регулировании традиционных двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием такое изменение мощности приводит к возрастанию удельного расхода топлива в 1,5-2,0 раза, что очень важно для двигателей транспортных средств, особенно автомобилей, работающих главным образом на частичных нагрузках. Изменение степени сжатия в зависимости от вида применяемого топлива позволит двигателю максимально эффективно работать как на газовом топливе, так и на всех марках товарного бензина. В предлагаемом двигателе каждому рабочему режиму соответствует своя степень сжатия и, соответственно, степень расширения, что позволяет достаточно легко решать проблемы существующих двигателей при работе на холостом ходу, режимах холодного пуска и прогрева, при этом состав смеси на всех рабочих режимах - стехиометрический ( = 1) и количество токсичных составляющих NO_x, C_nH_m, CO в отработавших газах минимально.

Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (фиг. 1) содержит рабочий цилиндр 1 с противоположно движущимися поршнями 2 и 3, снабженный впускным 4 и выпускным 5 клапанами. Рабочий цилиндр 1 снабжен перепускным клапаном 6, расположенным в зоне перемещения поршней 2 и 3, между которыми образован рабочий объем (камера сгорания). Механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней 2 и 3 во вращательное движение коленчатого вала включает качающиеся качалки 7, шарнирно соединенные звеном 8 с каждым из поршней 2 и 3 и имеющие шарнирное соединение с эксцентриковыми опорами 9, закрепленными в картере. Качалки 8 соединены шатунами 10 с коленчатым валом 11. Кривошипы шатунов 10 смещены на угол, например, 12... 20^o. Поршень 3 цилиндра 1 выполнен с двухсторонними днищами - горячее днище 12 со стороны рабочего объема и заднее холодное днище 13, образующее с торцевой стенкой 14 цилиндра 1 полость 15 с отсечным клапаном 16. Рабочий цилиндр 1 снабжен дополнительным объемом - ресивером 17, сообщенным с впускным 4 и перепускным 6 клапанами посредством каналов, соответственно, 18 и 19. Отсечной клапан 16 разделяет объем ресивера 17 и полость 15 за поршнем 3. Полость 15 сообщена через впускное окно 20 с системой смесеобразования 21 и с атмосферой. В рабочей полости цилиндра 1 расположена свеча зажигания 22. Двигатель снабжен механизмом управления впускным 4, выпускным 5, клапанами и включает распределительным вал 23, связанный с коленчатым валом 11. Также двигатель снабжен механизмом управления перепускным 6 и отсечным 16 клапанами и включает распределительный вал 24 с кулачками 25 и 26 переменного профиля, установленными с возможностью их перемещения вдоль него.

Кулачки переменного профиля 25 и 26 связаны с механизмом регулирования мощности 27 посредством рычагов 28. Механизм регулирования мощности 27 связан с механизмом изменения степени сжатия 29 приводом 30.

Кроме того, полость 15 выполнена с возможностью изменения объема. Для этого торцевая стенка цилиндра 1 выполнена подвижной, что позволяет изменять степень сжатия в полости 15. Изменение степени сжатия позволяет сохранить плотность заряда при падении плотности атмосферного воздуха.

Открытие и закрытие впускного 4 и выпускного 5 клапанов осуществляется кулачками распределительного вала 23, связанного с коленчатым валом 11 передачей с передаточным числом u = 2. Открытие отсечного клапана 16 управляется кулачком 25 с переменной высотой через коромысло 31. Кулачок 25 перемещается вдоль распределительного вала 23 и связан посредством рычагов 28 с механизмом 27 регулирования мощности двигателя. Открытие перепускного клапана 6 осуществляется кулачком 26 с переменным рабочим профилем. Для изменения фазового угла открытия перепускного клапана 6 кулачок 26 перемещается вдоль оси распределительного вала 23 и связан с рычагом 28 механизма 27 регулирования мощности двигателя. Кулачок 26 связан с клапаном 6 коромыслом 32, а распределительный вал 24 связан с коленчатым валом 11 передачей с передаточным числом u = 2. Эксцентриковые валы 9 соединены с механизмом изменения степени сжатия 27.

Работает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания следующим образом. На частичных нагрузках работы двигателя в рабочий объем подается топливовоздушная смесь (фиг. 2а) при движении поршней 2 и 3 в нижнюю мертвую точку в процессе впуска топливовоздушная смесь поступает из ресивера 17 и полости 15 за поршнем 3 через открытые впускной 4 и отсечной 16 клапаны в рабочий объем. При движении поршней 2 и 3 в верхнюю мертвую точку (фиг. 2б) впускной клапан 4 закрывается, происходит сжатие смеси в рабочем объеме и перепуск части рабочей смеси через открытый перепускной клапан 6 в ресивер 17 и полость 15 за поршнем 3, при этом отсечной клапан 16 открыт. Отбор части топливовоздушной смеси осуществляется за счет давления поршней 2 и 3 в рабочем объеме и одновременно за счет создаваемого разрежения за поршнем 3 в полости 15. Разрежение, возникающее в полости 15 за поршнем 3, позволяет производить перепуск с минимальными потерями мощности. Дожимают оставшуюся часть топливовоздушной смеси. При достижении поршнями 2 и 3 верхней мертвой точки происходит воспламенение рабочей смеси от свечи зажигания 22 и происходит процесс расширения, при котором топливовоздушная смесь, оставшаяся в полости 15 после перепуска и поступившая вновь из впускного окна 20, под давлением поршня 3 через отсечной клапан 16 перетекает в ресивер 17 (фиг. 2в). При достижении поршнями 2 и 3 нижней мертвой точки отсечной клапан 16 закрывается, изолируя объем ресивера 17 от полости за поршнем 15. На режиме продувки при движении поршней 2 и 3 в верхнюю мертвую точку открывается впускное окно 20, связанное с карбюратором или газовым смесителем, и в полость 15 за поршнем 3 поступает топливовоздушная смесь для дозарядки до объема, равного рабочему объему (фиг. 2г). На режиме впуска в рабочий цилиндр 1 направляют полный рабочий объем топливовоздушной смеси, включающий отобранный на режиме сжатия из полости 15 в ресивер 17 и введенный дополнительно в полость за поршнем (фиг. 2а).

Открытие и закрытие впускного 4 и выпускного 5 клапанов осуществляется кулачками 24 распределительного вала 23, связанного с коленчатым валом 11 передачей с передаточным числом u = 2. Открытие отсечного клапана 16 управляется кулачком 25 с переменной высотой через коромысло 29. Кулачок 25 перемещается вдоль распределительного вала 24 и связан посредством рычагов 28 с механизмом 27 регулирования мощности двигателя. Открытие перепускного клапана 6 осуществляется кулачком 26 с переменным рабочим профилем. Для изменения фазового угла открытия перепускного клапана 6 кулачок 26 перемещается вдоль оси распределительного вала 23 и связан рычагом 28 механизма 27 регулирования мощности двигателя. Кулачок 26 связан с клапаном 6 коромыслом 32, а распределительный вал 24 связан с коленчатым валом 11 передачей с передаточным числом u = 2. Эксцентриковые валы 9 соединены с механизмом изменения степени сжатия 29.

При работе двигателя на полной нагрузке, т.е. при максимальной мощности, ход расширения равен ходу сжатия (фиг. 3). При движении поршней 2 и 3 в нижнюю мертвую точку в процессе впуска, топливовоздушная смесь поступает из ресивера 17 и полости 15 за поршнем 3 через открытые впускной 4 и отсечной 16 клапаны в рабочий объем (фиг. 3а). При движении поршней 2 и 3 в верхнюю мертвую точку впускной 4 и выпускной 5 клапаны закрываются, происходит сжатие смеси в рабочем объеме и разрежение в полости 15 за поршнем 3 (фиг. 3б). При достижении поршнями 2 и 3 верхней мертвой точки происходит воспламенение рабочей смеси от свечи зажигания 22 при степени сжатия, соответствующей полному рабочему объему двигателя, и впуск топливовоздушной смеси через впускное окно 20 в полость 15 за поршнем 3.

В процессе рабочего хода (расширение) топливовоздушная смесь сжимается в полости 15 за поршнем 3 и перепускается в дополнительную емкость (ресивер) 17 через открытый отсечной клапан 16 (фиг. 3в). При достижении поршнями 2 и 3 нижней мертвой точки отсечной клапан 16 закрывается, изолируя объем ресивера 17 от полости 15 за поршнем 3.

В процессе выпуска отработавших газов открывается впускное окно 20 полости 15, связанное с карбюратором или газовым смесителем, и свежая смесь поступает в полость 15 за поршнем 3 (фиг. 3г). После процесса выпуска, при движении поршней в нижнюю мертвую точку, впускное окно 20 закрывается поршнем 3, открывается впускной клапан 4 и отсечной клапан 16 и рабочая смесь из ресивера 17 и полости 15 поступает в рабочий объем (фиг. 3а).

Объем полости за поршнем 15 подбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемую степень наддува. Увеличение плотности заряда при наддуве приведет к увеличению эффективной мощности и механического КПД двигателя при работе на режиме максимальной мощности.

Таким образом за два хода в процессе сжатия и выпуска происходит подача топливовоздушной смеси, обеспечивающей заполнение всего рабочего объема двигателя с необходимой степенью наддува. Механизм изменения степени сжатия 27 обеспечивает такое положение эксцентриковых валов 32, при котором сгорание рабочей смеси происходит на пределе детонации, определяемой видом применяемого топлива.

Предлагаемый способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с продолженным расширением и устройство для осуществления способа позволяет повысить топливную экономичность на частичных режимах работы двигателя, обеспечить максимальную эффективность при работе на жидких и газообразных видах топлива за счет организации продолженного расширения на режиме частичных нагрузок, изменять степень сжатия в зависимости от нагрузки на двигатель, уменьшить насосные потери на впуске посредством исключения дросселя в системе смесеобразования, что приводит к повышению коэффициента полезного действия четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, повышается надежность работы двигателя и уменьшается выброс токсичных компонентов продуктов сгорания, упрощается конструкция органов смесеобразования и решаются проблемы работы четырехтактного двигателя на режимах холостого хода, принудительного холостого хода и холодного пуска. На полном режиме работы двигателя используется полный рабочий объем двигателя для достижения максимальной мощности.

Формула изобретения

1. Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий подачу топливовоздушной смеси в рабочий объем цилиндра, сжатие смеси при движении поршня в верхнюю мертвую точку, воспламенение ее, продувку рабочего объема и впуск свежей топливо-воздушной смеси в рабочий объем, отличающийся тем, что при работе на частичных режимах при движении поршня в верхнюю мертвую точку в процессе сжатия часть топливовоздушной смеси из рабочего объема отбирают и дожимают оставшуюся часть, в процессе расширения направляют отобранную часть топливовоздушной смеси в дополнительную емкость, на режиме продувки при движении поршня в верхнюю мертвую точку вводят в полость за поршнем топливовоздушную смесь до объема, равного рабочему объему, на режиме впуска в цилиндр направляют полный рабочий объем топливовоздушной смеси, включающий отобранный на режиме сжатия и введенный в полость за поршнем.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при движении поршня в верхнюю мертвую точку отбирают часть топливовоздушной смеси из рабочего объема за счет давления поршней в рабочем объеме и одновременно за счет разрежения за поршнем.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подачу топливовоздушной смеси в рабочий объем на всех режимах осуществляют с коэффициентом избытка воздуха, равным 1.

4. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий рабочий цилиндр с двумя противоположно движущимися поршнями, снабженный впускным и выпускным клапанами, механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала, устройство смесеобразования, отличающийся тем, что рабочий цилиндр снабжен перепускным клапаном, полостью с отсечным клапаном за одним из поршней, ресивером, при этом перепускной клапан сообщен через ресивер с впускным клапаном и с отсечным клапаном полости за поршнем, которая снабжена окном, сообщенным с системой смесеобразования.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что полость за поршнем образована задней стенкой поршня и торцевой стенкой цилиндра.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что торцевая стенка цилиндра выполнена с возможностью осевого перемещения.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что механизм преобразования возвратно-поступательного движения поршней во вращательное движение коленчатого вала включает качающиеся качалки, шарнирно соединенные посредством шатунов с коленчатым валом и снабженные эксцентриковыми опорами в картере.

8. Устройство по пп.4 или 5 и 6, отличающееся тем, что двигатель снабжен механизмом управления перепускным и отсечным клапанами, включающим распределительный вал с кулачками переменного профиля, установленными с возможностью их перемещения вдоль него, при этом распределительный вал связан механизмом привода с коленчатым валом двигателя и с механизмом изменения степени сжатия и мощности двигателя.

9. Устройство по пп.4 или 5-7, отличающееся тем, что кривошипы шатунов, связанных с качалками поршней, смещены на угол, например, 12-20°.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3