ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в создании новых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный цилиндр и один рабочий цилиндры, поршни, камеру сгорания, дополнительную камеру сгорания с топливной форсункой и форсункой для впрыска воды в обе камеры сгорания (см. авторское свидетельство SU №1314137, кл. F02М 25/02, 30.05.1987).
Недостатком данного двигателя является неполное сгорание топлива из-за размещения форсунок и подачи воды в обе камеры сгорания, что не позволяет увеличить коэффициент полезного действия двигателя.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий четное число цилиндров кратное четырем, разбитых на блоки по четыре цилиндра, в каждом из которых два рабочих цилиндра и два компрессорных цилиндра, и ресивер, сообщенный со всеми цилиндрами блока посредством перепускных коллекторов, причем все блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом (см. патент RU №2327885, кл. F02B 33/22, 27.06.2008).
Данный двигатель позволяет снизить удельный расход топлива, снизить токсичность отработанных газов и расширить диапазон регулирования мощности двигателя. Однако конструкция двигателя не позволяет в полной мере использовать энергию продуктов сгорания для преобразования ее в механическую энергию вращения коленчатого вала.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является оптимизация режима работы поршней в рабочем и компрессорном цилиндрах.
Технический результат заключается в уменьшении расхода топлива и снижении загрязнения окружающей среды, особенно при работе двигателя на пониженной мощности и при работе высокооборотных двигателей.
0
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит четное число цилиндров кратное двум, разбитых на блоки по два цилиндра, в каждом из которых один рабочих цилиндр и один компрессорный цилиндр, причем все блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом. Кривошипы смежных одного рабочего и одного компрессорного цилиндров смещены на угол α с обеспечением запаздывания поршня компрессорного цилиндра относительно поршня рабочего цилиндра, или при отсутствии смещения кривошипов оси цилиндров смещены на угол α в плоскости поперечной оси вращения коленчатого вала, при этом кривошипы одной пары рабочего и компрессорного цилиндров блока смещены относительно другой пары рабочего и компрессорного цилиндров другого блока на 180, каждый компрессорный цилиндр сообщен через нагнетательный клапан с всасывающим клапаном смежного рабочего цилиндра и через всасывающий клапан - с атмосферой, каждый рабочий цилиндр через нагнетательный клапан сообщен с выхлопной системой двигателя; двигатель снабжен электронной системой впрыска топлива и системой зажигания топливной смеси.
Каждый компрессорный цилиндр бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и к системе зажигания топливной смеси.
Каждый рабочий цилиндр бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и к системе зажигания топливной смеси.
Каждый компрессорный цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива.
Каждый рабочий цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива.
В ходе проведенного исследования было установлено, что в ДВС поступательное движение поршня рабочего цилиндра приводит во вращательное движение коленчатый (рабочий) вал с помощью шатунно-кривошипного механизма (ШКрМ). Передача энергии поступательного движения поршня рабочего цилиндра рабочему валу зависит от Мкр=FRsinα, где R- радиус кривошипа; α - угол отклонения кривошипа от направления силы F, действующей на поршень. Поэтому, при рабочем такте, на вращающийся вал передается энергия с эффективностью, зависящей от sinα. В современных двигателях в начале рабочего такта в ВМТ1 (верхняя мертвая точка) сила давления на поршень наибольшая, но эффективность мала в связи с малым углом α, близким к нулю. Из-за низкой эффективности недоиспользованная тепловая энергия нагревает рабочий цилиндр, выходя через стенки рабочего цилиндра наружу.
Поскольку время горения может быть 1-2 мс и более, то важно, чтобы максимальная энергия при сгорании топлива была при небольшом угле Ө поворота кривошипа от ВМТ2 (эта точка соответствует началу рабочего цикла) поршня. При большом угле Ө увеличивается высота, соответствующая камере сгорания рабочего цилиндра при начале рабочего такта, что уменьшает рабочее значение коэффициента сжатия z и, соответственно, КПД.
На чертеже схематически представлен один двухблочный четырехтактный четырех цилиндровый двигатель внутреннего сгорания.
0
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит четное число цилиндров кратное двум, разбитых на блоки по два цилиндра. В каждом из блоков один рабочий цилиндр 1 или 2 и один компрессорный цилиндр 3 или 4, причем все блоки цилиндров 1, 2, 3 и 4 объединены общим коленчатым валом 5. Кривошипы 6 смежных одного рабочего 1 и одного компрессорного 3 цилиндров и соответственно одного рабочего 2 и одного компрессорного 4 цилиндров смещены на угол α с обеспечением запаздывания поршня 7 компрессорного цилиндра 3 и 4 относительно поршня 8 рабочего цилиндра соответственно 1 и 2; или без смещения кривошипов оси рабочего и компрессорного цилиндров 1 и 3 и соответственно оси рабочего и компрессорного цилиндров 2 и 4 смещены на угол α в плоскости поперечной оси вращения коленчатого вала 5. Кривошипы 6 одной пары рабочего 1 и компрессорного 3 цилиндров блока смещены относительно другой пары рабочего 2 и компрессорного 4 цилиндров другого блока на 180.
Каждый компрессорный цилиндр 3 и 4 сообщен через нагнетательный клапан 9, например, посредством патрубка 10 с всасывающим клапаном 11 смежного рабочего цилиндра, соответственно 1 и 2 и через всасывающий клапан 12 - с атмосферой. Каждый рабочий цилиндр 1 и 2 через нагнетательный клапан 13 сообщен с выхлопной системой двигателя. В бензиновом двигателе каждый компрессорный цилиндр 3 и 4 подключен к электронной системе впрыска топлива от ЭБУ 14 и к системе зажигания топливной смеси.
0
Рассмотрим работу одной пары цилиндров 1 и 3. Работа другой пары 2 и 4 аналогична, но сдвинута по времени при повороте рабочего вала на 180.
При вращении общего коленчатого вала 5 после такта всасывания в компрессорный цилиндр 3 атмосферного воздуха, всасывающий клапан 12 закрывается и выполняется такт сжатия в компрессорном цилиндре 3. В это время в рабочем цилиндре 1 при открытом нагнетательном клапане 13 выполняется такт выброса продуктов сгорания в выхлопную систему двигателя вплоть до достижения поршнем 8 верхней мертвой точки ВМТ1. В этой схеме при работе двигателя поршень 7 в компрессорном цилиндре 3 отстает от поршня 8 в рабочем цилиндре 1 на размер высоты камеры сгорания. Эта возможность достигается, как описано выше, либо за счет наличия угла α между кривошипами 6 рабочего 1 и компрессорного 3 цилиндров, либо за счет такого же угла наклона между этими цилиндрами 1 и 3 в поперечной к оси вращения коленчатого вала 5 плоскости. Еще до подхода к ВМТ2 поршня 7 компрессорного цилиндра 3, которая расположена ниже ВМТ1 на размер высоты камеры сгорания, происходит впрыск топлива, подача искры и сжигание рабочей топливной смеси в компрессорном цилиндре 3 бензинового двигателя. При дальнейшем движении поршня 7 в компрессорном цилиндре 3 бензинового двигателя вверх до ВМТ1 продукты сгорания вытесняются в рабочий цилиндр 1 бензинового двигателя, при этом одновременно открыты нагнетательный клапан 9 компрессорного цилиндра 3 и всасывающий клапан 11 рабочего цилиндра (вместо этих двух клапанов может быть один), после чего при опускании поршня 8 рабочего цилиндра 1 до уровня ВМТ2 нагнетательный 9 и всасывающий 11 клапаны закрываются, и начинается рабочий ход поршня 8 рабочего цилиндра 1. В этом случае уже угол Ө близок к нулю, что очень важно особенно для высокооборотных ДВС. Далее весь процесс идет аналогично изложенному.
Для низкооборотных ДВС, где угол θ небольшой, электронная система впрыска топлива от ЭБУ 14 и система зажигания топливной смеси подключена к каждому рабочему цилиндру 1 и 2 бензинового двигателя (не показано).
Принцип работы дизелей отличается от выше описанного лишь тем, что после впрыска топлива от электронной системы ЭБУ, происходит самовоспламенение топлива.
При работе двигателя на пониженной мощности управление более поздним временем впрыска топлива от ЭБУ 14, а также более поздним временем открытия и закрытия клапанами 9 и 11 производимых от ЭБУ 14 (или от системы кулачков, связанных с аксельратором), приводит к тому, что ВМТ2 поднимается выше и высота камеры сгорания, при котором открываются и закрывается клапаны 9 и 11, будет уменьшаться пропорционально пониженной мощности работы двигателя. Например, при пониженной в 2 раза рабочей мощности бензинового двигателя соответственно меньшая часть топлива и воздуха поступит в компрессорный цилиндр 3, и после дожимания высота камеры сгорания будет в 2 раза меньше. После переброски продукта горения в рабочий цилиндр высота камеры рабочего цилиндра 1 над поршнем 8 будет в два раза меньше, что обеспечит больший рабочий коэффициент сжатия z и, соответственно, КПД. Таким образом, есть возможность при пониженном количестве рабочей топливной смеси, как бы, дожимать ее до оптимального значения и работать с повышенной эффективностью при пониженных мощностях ДВС.
Описанный режим работы предоставляет возможность полного выброса продуктов сгорания. В случае профильной формы камеры сгорания поршня крышка цилиндра должна иметь анти профиль, чтобы обеспечить полный выброс продуктов горения. Так как весь цикл работы совершается за один оборот рабочего вала, то есть возможность отказаться от распределительного вала существующих двигателей, поместив кулачки управление клапанами 9, 11, 12 и 13 на общем коленчатом валу 5.