КОМБИНИРОВАННЫЙ ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
COMBINED FOUR-CYLINDER ENGINE

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается комбинированных поршневых двигателей с четырьмя цилиндрами, использующих средства, улучшающие преобразование энергии сжатой среды в механическую энергию.
Известны различные комбинированные поршневые двигатели, содержащие основные и дополнительные цилиндры, представленные в заявках №№2812199, 3344203, опубликованных в ФРГ, в заявках №№2264333, 2294501, опубликованных в Великобритании, в патентах №№6318310, 6553977, выданных в США, в заявках №№198504, 1201892 на выдачу Европейского патента.
В качестве прототипа принят комбинированный четырехцилиндровый поршневой двигатель, показанный в патенте №3514206, МПК F02B 41/06, выданном в ФРГ. Он содержит одинаковые основные и дополнительные цилиндры с расположенными в них поршнями одинакового диаметра, связанными с коленчатым валом двигателя, впускные и выпускные клапаны. В этом двигателе для улучшения его рабочих характеристик производится только перепуск горячих газов из каждого основного цилиндра в дополнительные цилиндры для продолженного их расширения.
Задача - расширение функциональных возможностей комбинированного поршневого двигателя при разных его нагрузках.
Решение задачи расширения функциональных возможностей поршневого комбинированного двигателя при разных его нагрузках обеспечено тем, что комбинированный двигатель с четырьмя цилиндрами, содержащий одинаковые основные и дополнительные цилиндры с расположенными в них поршнями, связанными с коленчатым валом, впускные и выпускные клапаны, снабжен двухпозиционными золотниковыми распределителями потоков воздуха и горячего газа, содержащими механически связанные между собой поворотные золотники, сделанные с пазами для перепуска воздуха в первой позиции золотников из дополнительных цилиндров при уменьшении их объема в основные цилиндры при увеличении их объема и для перепуска горячего газа во второй позиции золотников из основных цилиндров при уменьшении их объема в дополнительные цилиндры при увеличении в них объема, золотник одного из распределителей расположен между каналами прохода воздуха, а золотник другого распределителя расположен между каналами прохода горячего газа.
Вследствие использования указанных распределителей потоков воздуха и горячих газов обеспечено при малых и средних нагрузках двигателя продолженное расширение горячих газов, направляемых из каждого основного цилиндра в дополнительные цилиндры, а при больших нагрузках производится сжатие воздуха в дополнительных цилиндрах и затем подача в основные цилиндры для улучшения их наполнения. Включение режима продолженного расширения горячих газов путем их перепуска в дополнительные цилиндры из основных цилиндров при малой и средней нагрузке двигателя и затем включение с помощью двухпозиционных распределителей режима нагнетания воздуха из дополнительных цилиндров в каждый основной цилиндр при большой нагрузке на двигатель существенно улучшает преобразование энергии горячих газов в механическую энергию, способствующее снижению расхода топлива двигателем с обеспечением высоких динамических его характеристик.
Этот комбинированный четырехцилиндровый двигатель снабжен турбокомпрессором, сообщаемым с основными и дополнительными цилиндрами двигателя через оба распределителя в каждой позиции их золотников.
На фигуре 1 показана схема четырехцилиндрового поршневого двигателя с золотниковыми распределителями потоков воздуха и горячего газа, занимающими положение, соответствующее режиму продолженного расширения горячих газов.
На фигуре 2 показана схема двигателя при выпуске воздуха в левый основной цилиндр и выпуске горячих газов из дополнительных цилиндров после продолженного их расширения и рабочем ходе поршня в правом основном цилиндре.
На фигуре 3 показана схема двигателя при перепуске горячих газов из правого основного цилиндра в дополнительные цилиндры для продолженного их расширения и сжатии воздуха в левом основном цилиндре.
На фигуре 4 показана схема двигателя при впуске воздуха в правый основной цилиндр, рабочем ходе поршня в левом основном цилиндре и выпуске горячих газов из дополнительных цилиндров.
На фигуре 5 показана схема двигателя при перепуске горячих газов из левого основного цилиндра в дополнительные цилиндры и сжатии воздуха в правом основном цилиндре.
На фигуре 6 показана схема этого четырехцилиндрового двигателя при положении золотниковых распределителей, соответствующем режиму нагнетания воздуха из дополнительных цилиндров в основные цилиндры.
На фигуре 7 показана схема двигателя при нагнетании воздуха из дополнительных цилиндров в левый цилиндр и рабочем ходе поршня в правом цилиндре.
На фигуре 8 показана схема двигателя при впуске воздуха в дополнительные цилиндры при сжатии воздуха в левом цилиндре и выпуске горячих газов из правого цилиндра.
На фигуре 9 показана схема двигателя при нагнетании воздуха из дополнительных цилиндров в правый цилиндр и рабочем ходе поршня в левом цилиндре.
На фигуре 10 показана схема двигателя при впуске воздуха в дополнительные цилиндры при сжатии воздуха в правом цилиндре и выпуске горячих газов из левого цилиндра.
Представленный на чертежах комбинированный четырехцилиндровый поршневой двигатель содержит четыре одинаковых цилиндра 1, 2, 3, 4, из которых левый и правый крайние цилиндры 1 и 4 являются основными, а средние цилиндры 2 и 3 являются дополнительными. В этих цилиндрах расположены одинаковые поршни 5-8, связанные шатунами 9 с коленчатым валом 10 двигателя с его шатунными шейками. Шатунные шейки, с которыми связаны поршни 6 и 7 средних цилиндров, повернуты относительно шатунных шеек, связанных с поршнями 5 и 8 крайних цилиндров, на 180 градусов. Цилиндры содержат подъемные впускные клапаны 11-14 и подъемные выпускные клапаны 15-18.
Двигатель содержит два двухпозиционных золотниковых распределителя 19 и 20 потоков воздуха и горячих газов. Эти распределители содержат цилиндрические поворотные золотники 21 и 22, имеющие между собой механическую связь 23 посредством цепной или зубчатой передачи либо с помощью рычажных поводков, связанных между собой тягой. В золотниках сделаны поперечные пазы, образующие камеры, разделенные в каждом золотнике перегородкой. Золотник 21 расположен между каналами 24-27 прохода воздуха к цилиндрам двигателя, а золотник 22 расположен между каналами 28-31 прохода горячих газов. Через распределители 19 и 20 потоков воздуха и горячего газа в первой их позиции производится впуск воздуха в основные цилиндры 1 и 4 при увеличении в них объема при открытом впускном клапане, перепуск горячего газа из основных цилиндров 1 и 4 при уменьшении их объема в дополнительные цилиндры 2 и 3 при увеличении в них объема, выпуск горячего газа из дополнительных цилиндров 2 и 3 при уменьшении в них объема. Во второй позиции распределителей 19 и 20 производится впуск воздуха в дополнительные цилиндры 2 и 3 при увеличении в них объема, перепуск воздуха из дополнительных цилиндров при уменьшении их объема в основные цилиндры 1 и 4 при увеличении в них объема при открытом впускном клапане, выпуск горячего газа из основных цилиндров при уменьшении их объема.
Двигатель содержит также турбокомпрессор 32, состоящий из лопаточного компрессора 33 и лопаточной турбины 34.
Во время работы двигателя с небольшой нагрузкой при малой и средней частоте вращения коленчатого вала золотники 21 и 22 распределителей занимают положение, показанное на фигурах 1-5. При таком положении золотников двигатель работает на режиме продолженного расширения горячих газов, образующихся в основных цилиндрах 1 и 4 при сгорании топлива. При положении поршней, показанном на фигуре 2, производится впуск воздуха через распределитель 19 и открытый впускной клапан в левый основной цилиндр 1 во время движения его поршня 5 вниз от впускного и выпускного клапанов. В правом основном цилиндре 4 происходит рабочий ход его поршня 8, перемещающегося вниз под давлением горячего газа, образовавшегося при сгорании топлива при закрытых впускном и выпускном клапанах цилиндра 4. Из средних цилиндров 2 и 3 производится выпуск через выпускные клапаны горячих газов, вытесняемых из цилиндров 2, 3 поршнями 6 и 7, перемещающимися вверх в сторону клапанов. Вытесняемый из средних цилиндров горячий газ через распределитель 20 поступает к турбине 34 для привода компрессора 33.
При положении поршней, показанном на фигуре 3, в левом крайнем цилиндре 1 поршень 5 поднимается вверх, сжимая воздух в этом цилиндре при закрытых впускном и выпускном клапанах, в правом крайнем цилиндре 4 поршень 8 перемещается тоже вверх, вытесняя образовавшийся после рабочего хода горячий газ через открытый выпускной клапан и через распределитель 20 в средние цилиндры 2 и 3, в которых происходит продолженное расширение горячего газа, совершая полезную работу.
После такта сжатия воздуха в левом цилиндре 1 производится подача в него топлива. При сгорании поступившего топлива образуется горячий газ, под давлением которого поршень 5 перемещается от клапанов вниз, вращая посредством шатуна 9 коленчатый вал 10 (фигура 4). В правом цилиндре 4 происходит такт впуска воздуха, поступающего в него от компрессора 33 по каналам 24, 25 через открытый впускной клапан. Из средних цилиндров горячий газ после его продолженного расширения поступает через открытые выпускные клапаны и через распределитель 20 по каналам 30 и 31 к турбине 34 для привода компрессора 33.
После рабочего хода в левом цилиндре 1 происходит выпуск горячих газов из него через открытый выпускной клапан 15 по каналам 28, 29 через распределитель 20 в средние цилиндры 2, 3 через их открытые выпускные клапаны 12, 13 (фигура 5). В правом крайнем цилиндре 4 происходит такт сжатия воздуха перед подачей в него топлива.
При необходимости работы двигателя с большой нагрузкой при большой частоте вращения коленчатого вала переключают распределители 19 и 20, устанавливая их золотники 21 и 22 в позиции, показанной на фигурах 6-10. В этой позиции золотников средние цилиндры 2, 3 используются для нагнетания воздуха в крайние цилиндры 1 и 4, являющиеся основными. При положении клапанов и поршней, показанном на фигуре 7, открыты впускной клапан 11 левого цилиндра 1 и выпускные клапаны 16, 17 средних цилиндров 2 и 3. Клапаны правого основного цилиндра 4 закрыты. Поршни в крайних цилиндрах 1 и 4 перемещаются вниз, а поршни в средних цилиндрах 2, 3 движутся вверх в сторону клапанов. Воздух из средних цилиндров поступает через распределитель 19 и клапаны 25, 27 в левый основной цилиндр 1, совершается такт впуска в него воздуха. В правом крайнем цилиндре 4 происходит сгорание топлива с образованием горячего газа, создающего давление на поршень 8, вращающий коленчатый вал 10.
При следующем такте работы двигателя в левом крайнем цилиндре 1 клапаны закрыты, а в правом крайнем цилиндре 4 открыт выпускной клапан 18. У средних цилиндров открыты выпускные клапаны 12 и 13. Поршни в крайних цилиндрах движутся вверх в сторону клапанов, а поршни в средних цилиндрах перемещаются вниз (фигура 8). Горячий газ из основного цилиндра 4 через распределитель 20 по каналам 28, 31 направляется к турбине 34 турбокомпрессора. А в средние цилиндры через распределитель 19 по каналам 24, 26 поступает воздух от компрессора 33 турбокомпрессора.
Затем происходит следующий такт работы двигателя, при котором клапаны у левого крайнего цилиндра 1 по-прежнему закрыты, а у правого крайнего цилиндра 4 открыт впускной клапан 14. У средних цилиндров открыты выпускные клапаны 16, 17. Поршни в крайних цилиндрах движутся вниз, а в средних цилиндрах поршни поднимаются вверх в сторону клапанов (фигура 9). Из средних цилиндров воздух, выталкиваемый из них поршнями 6, 7, направляется через распределитель 19 по каналам 25, 27 в цилиндр 4 в расширяющуюся над поршнем 8 камеру. А в левом крайнем цилиндре 1 происходит сгорание подаваемого в него топлива, образующего горячий газ, создающий давление на поршень 5, совершающий при его перемещении полезную работу.
После этого происходит такт работы двигателя, при котором у левого крайнего цилиндра 1 открыт выпускной клапан 15, у правого цилиндра 4 закрыты оба клапана, а у средних цилиндров 2, 3 открыты выпускные клапаны 12, 13 (фигура 10). Поршни 5 и 8 в крайних цилиндрах движутся вверх в сторону клапанов, а поршни 6 и 7 в средних цилиндрах перемещаются вниз. Происходит выпуск горячих газов из левого основного цилиндра 1, поступающих через распределитель 20 по каналам 28, 31 к турбине 34 для привода компрессора 33. Одновременно от компрессора 33 через распределитель 19 по каналам 24, 26 поступает воздух в дополнительные цилиндры 2, 3 в расширяющееся в них пространство для его накопления перед подачей в основной цилиндр.
Использование распределителя потоков воздуха и распределителя потоков горячего газа обеспечивает при малых и средних нагрузках двигателя продолженное расширение горячих газов, направляемых из основных цилиндров в дополнительные цилиндры, а при больших нагрузках двигателя обеспечивает использование дополнительных цилиндров для нагнетания воздуха в основные цилиндры для улучшения их наполнения. Включение режима продолженного расширения горячих газов путем их перепуска в дополнительные цилиндры из основных цилиндров при малой и средней нагрузке и затем включение с помощью двухпозиционных распределителей режима нагнетания воздуха из дополнительных цилиндров в основные цилиндры при большой нагрузке на двигатель существенно улучшает преобразование энергии горячих газов в механическую энергию, способствующее снижению расхода топлива двигателем с обеспечением высоких динамических его характеристик.