ЧЕТЫРЁХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С УКОРОЧЕННЫМ ПРОЦЕССОМ ВПУСКА
FOUR-STROKE INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH SHORTENED INTAKE PROCESS

Ссылка на сопутствующие заявки
Настоящая заявка испрашивает приоритет даты подачи обычной заявки США №14/788,905, заполненной 1 июля 2015 года, которая является частично продолжающей заявкой обычной заявки США №14/530,704, заполненной 1 ноября 2014 года.
Область техники
Настоящее изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а точнее к области четырехтактных двигателей внутреннего сгорания с импульсным зажиганием (англ. Spark Ignition - Internal Combustion Engines).
Уровень техники
Эффективность стандартного четырехтактного бензинового двигателя внутреннего сгорания без наддува ограничивается взаимоотношением степени сжатия и температур высокого давления компрессии при предварительном зажигании. Это связано с необходимостью избегать температур предварительного зажигания, близких к порогу температуры самовоспламенения топлива, при превышении этих температур эффект стука будет ухудшать эффективность и сократит срок службы двигателя. Из-за этих температур предварительного зажигания стандартные четырехтактные двигатели, как правило, ограничиваются низкой степенью сжатия (СС) - это параметр, который представляет собой отношение общего объема цилиндра двигателя к объему его камеры сгорания. Для Стандартных Двигателей, использующих стандартное бензиновое топливо, СС обычно не превышает 11, что ограничивает компрессию двигателей с предварительным зажиганием до 22 баров максимум.
Из-за температур самовоспламенения топлива производители двигателей придерживаются, как правило, степеней сжатия в пределах между СС=9.5 и СС=11.8 для двигателей без наддува. Эти показатели могут меняться, но они всегда меньше СС=15.
Такие ограничения температуры и давления в стандартных четырехтактных конструкциях двигателей не только снижают их эффективность, но и приводят к тому, что двигатели выпускаются большими и тяжелыми, и, более того, они могут использовать лишь небольшое количество типов топлива, которое позволит им работать без стука.
Настоящее изобретение предлагает четырехтактный двигатель внутреннего сгорания с постоянно укороченным процессом впуска, для обозначения которого мы будем использовать сокращение «УПВ» (двигатель с «Укороченным Процессом Впуска»), и, следовательно, он также имеет укороченный процесс сжатия. Как будет объясняться далее, эта конструкция позволяет регулировать температуру и давление всасываемого воздуха в цилиндрах сгорания, так что могут быть достигнуты намного более высокая степень сжатия СС и компрессионное давление предварительного зажигания без приближения к порогу самовоспламенения. Кроме того, поскольку эта новая конструкция может эффективно регулировать и устанавливать максимальную температуру предварительного зажигания топливовоздушной смеси, она может сжигать практически любой тип жидкого углеводородного топлива без опасности возникновения стука, если двигатель спроектирован для самого низкого уровня самовоспламенения.
Четырехтактный двигатель настоящего изобретения, благодаря значительно более высокой степени сжатия, генерирует энергию, эквивалентную или превышающую показатели стандартного четырехтактного двигателя в более легком и маленьком корпусе и в среде, где все основные параметры двигателя находятся под контролем для достижения его максимальной мощности и эффективности.
Раскрытие сущности изобретения
Рабочий цикл стандартного бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания без наддува состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выхлопа. Во время такта впуска поршень перемещается вниз и воздушно-топливная смесь всасывается в цилиндр. За этим следует такт сжатия, при котором поршень движется вверх и сжимает воздушно-топливную смесь до нужного давления для предварительного зажигания. Такт сжатия достигает кульминации при импульсном зажигании воздушно-топливной смеси, которая двигает поршень вниз в такте рабочего хода. В такте выхлопа поршень снова перемещается вверх для отвода выхлопного газа из цилиндра в процессе подготовки к следующему такту впуска. Каждый из этих процессов, как правило, совершается за приблизительно половину вращения коленчатого вала или за оборот в 180 градусов, плюс/минус отклонение в зависимости от такта двигателя и нагрузки.
Мощность генерируется в четырехтактном процессе сгорания во время такта рабочего хода, когда зажженная воздушно-топливная смесь расширяется в цилиндре, в результате чего давление внутри падает. В соответствии с Комбинированным Законом Газа, величина PV/T во время этого расширения остается постоянной (где Ρ представляет собой давление газа в барах, V является объемом газа в литрах, а Τ - температурой газа в кельвинах). Следовательно, при заданной степени сжатия падение давления должно сопровождаться непропорциональным уменьшением абсолютной температуры. Так как уменьшение абсолютной температуры определяет механическую энергию, доступную для передачи коленчатому валу через поршень во время такта рабочего хода, коэффициент полезного действия двигателя оптимизируется за счет максимального перепада давления во время такта рабочего хода. Это, в свою очередь, требует, чтобы давление при предварительном зажигании максимизировалось за счет устранения негативного воздействия высоких температур.
В стандартном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания без наддува всасываемый воздух поступает в цилиндр сгорания, обладая температурой окружающей среды и атмосферным давлением (примерно в 1 бар).
Настоящее изобретение имеет сокращенный или укороченный такт впуска, который значительно короче половины вращения коленчатого вала, или намного меньше 180°, чтобы обеспечить большее сжатие всасываемого воздуха в цилиндре двигателя с более высокой степенью сжатия. Этот укороченный такт впуска, в соответствии с настоящим изобретением, осуществляется совершенно другим методом и в иной форме, в отличие от системы «изменения фаз газораспределения» (англ. «Variable Valve Timing» или VVT), используемой сегодня или подобной ей, и, таким образом, описываемая система дает совершенно другой результат.
Система изменения фаз газораспределения, применяемая сегодня в двигателях без наддува, использует определенный механизм, прикрепленный к распределительному валу, для управления открытием впускных клапанов раньше или позже, чем когда поршень находится в ВМТ, и/или для управления закрытием впускных клапанов раньше или позже, чем когда поршень находится в НМТ, тем самым ограничивая объем всасываемого воздуха, который время от времени может быть меньше, чем общий объем цилиндра двигателя. Однако эта система применяется лишь, как упоминалось выше, время от времени, динамически изменяясь в соответствии с режимом работы двигателя для управления крутящим моментом и нагрузкой, в основном на разных скоростях. Это означает, что в процессе работы система изменения фаз газораспределения может периодически способствовать набору полного объема двигателя до точки, которая достигается, когда поршень находится в НМТ или близко к ней, и которая устанавливает и ограничивает максимально возможную степень сжатия.
Стандартные двигатели, используемые сегодня, в которых применяется такая система, не имеют степень сжатия СС выше 15, или в некоторых, очень экстремальных случаях, и только при очень высоком показателе количества оборотов в минуту (RPM), могут достичь коэффициента сжатия, близкого к СС=17.
Если в какой-то момент система изменения фаз газораспределения в существующих сегодня двигателях дала бы сбой (например, установила бы объем всасывания на определенной отметке, а затем забыла бы об этом), то двигатель перестал бы оптимально работать, в зависимости от того, на какой отметке застыл объем всасывания, после чего загорелся бы индикатор неисправности двигателя, так как двигатель стал бы работать хуже и хуже, потому что его степень сжатия все еще оставалась бы низкой, меньше 15, так как этот двигатель был изначально спроектирован и изготовлен с такой низкой степенью сжатия СС, а преимущества высокой степени сжатия в сочетании с укороченным впуском, который является существенным для настоящего изобретения, не реализуются при низких значениях СС, как описано здесь. Это означает, что такой двигатель с укороченным процессом впуска, который работает непрерывно и при низкой СС, будет работать с пониженной эффективностью, а это не то, что предлагается настоящим изобретением.
В некоторых других современных двигателях, которые используют систему изменения (или неизменности) фаз газораспределения, которые на самом деле работают с уменьшением объема впуска, и делают это в любое время, как мы и рекомендуем при использовании УПВ-двигателей, в той или иной форме, как, например, в цикле Миллера, когда Миллером используются или рекомендуются другие методы и/или компоненты для восполнения объема воздуха, теряемого при уменьшенном всасывании, такие как турбокомпрессоры и другие устройства, которые увеличивают давление воздуха и, следовательно, объем воздуха для восполнения потерь, рассчитывая, что эта потеря воздуха в результате уменьшения объема всасывания должна быть компенсирована, и, следовательно, использование более высоких степеней сжатия даже не рассматривается, поскольку при работе эти двигатели имеют даже более низкую степень сжатия - менее 8,5-10 (как двигатели с (турбо)наддувом).
Однако в настоящем изобретении конструкция двигателя, которая использует уменьшенный объем всасываемого воздуха при атмосферном давлении, противоречит положениям предшествующего уровня техники. Сокращенный или укороченный объем всасывания должен быть применен таким образом, чтобы, в случае необходимости, частичный объем цилиндра двигателя был доступен при впуске и заполнялся воздухом в любое время, как и в цикле Миллера, но на разных границах (Миллер рекомендует, чтобы в этом такте было доступно от 80% до 70% объема всасывания, а начальная точка УПВ находилась ниже, чем это описано далее) и в другом двигателе с применением другого метода. Это означает, что впускные клапаны в таком устройстве никогда не могут быть закрыты, пока поршень находится в НМТ или близко к НМТ, так как это будет представлять собой полный впускной объем цилиндра в том же размере, что и в стандартном двигателе с изменяемой фазой газораспределения. Кроме того, это устройство в УПВ-двигателе является таким, что не позволяет использовать какие-либо другие механизмы, такие как турбокомпрессоры или другие создающие давление приборы, чтобы компенсировать разницу в давлении воздуха, противоположную рекомендованной Миллером в двигателях с (турбо)наддувом для компенсации разницы в потере объема воздуха.
Укороченный процесс впуска, рекомендуемый в настоящем изобретении как таковом, позволяет, таким образом, обеспечить другой тип выгоды и достичь другой цели, а именно -получить более эффективный двигатель. Это связано с тем, что помимо укороченного впуска, как определенной требуемой процедуры настоящего изобретения, оно также требует сравнительно меньшего объема камеры сгорания для достижения предлагаемой цели, поэтому более сильное сжатие, как упомянуто выше, или более высокая степень сжатия СС и данная процедура уникальны только для двигателя с УПВ. Чем меньше объем всасывания, тем меньше размер камеры сгорания и, следовательно, тем выше степень сжатия, поскольку степень сжатия СС является отношением объема всего цилиндра к объему камеры сгорания. Этот двигатель может быть сконструирован таким образом, чтобы достичь степени сжатия 22,1 (СС=22,1 является самым низким, но не предпочтительным показателем) или выше и, следовательно, иметь гораздо более высокую эффективность.
Фактическое давление воздуха/смеси в УПВ-двигателе, которое было определено оптимальным образом, может достигать к концу такта сжатия 37 баров, без опасности возникновения самовоспламенения. Это объясняется тем, что новая конструкция уменьшает объем остаточных выхлопных газов до минимума благодаря очень высокой расчетной степени сжатия СС=29,4 и, следовательно, требует камеры сгорания очень малого размера. В конце такта выхлопа остается меньше остаточных выхлопных газов, поэтому отрицательный эффект их выпуска устраняется.
С другой стороны, поскольку двигатели с УПВ имеют камеру сгорания, которая очень мала, по сравнению с камерой сгорания стандартного двигателя, сжатие и температура воздуха/смеси резко возрастают ближе к концу такта сжатия или у самого верхнего уровня, около ВМТ. Это позволяет УПВ-двигателю облегчать использование искры или неискрового процесса для инициирования управляемого или спонтанного процесса сгорания воздуха/смеси, так как самовоспламенение в результате повышения температуры за пределы порога самовоспламенения сжатой смеси неизбежно произойдет очень близко к ВМТ, где именно это и необходимо.
Предела уменьшенного объема впуска, который должен быть реализован в этом изобретении, нет, и, следовательно, камера сгорания может достигнуть наименьшего размера. Оптимальная степень сжатия для этих двигателей рассчитывается равной примерно СС=30, при этом уменьшенный объем всасывания устанавливается на отметке приблизительно в 0,55 объема цилиндра двигателя. Выхлопные газы вышеупомянутого двигателя с УПВ будут иметь давление около 1 бара к концу такта рабочего хода. Эти значения могут меняться и будут зависеть от конструкции двигателя.
Неразрешенная проблема современных двигателей заключается в том, что, будучи двигателями внутреннего сгорания, которые используют энергию тепла, они не извлекают из него стопроцентной выгоды. Работа в двигателе осуществляется благодаря энергии тепла, а горячие газы в конце такта рабочего хода, когда поршень находится в НМТ, а выпускные клапаны готовы к открытию и выпуску выхлопных газов, все еще находятся под высоким давлением (выше атмосферного давления) и их высокая температура может быть все еще полезна, если бы ее энергию можно было дополнительно извлечь, вместо того чтобы выпускать эти газы в окружающую среду.
Говоря простым языком, предлагаемый двигатель решает вышеуказанную проблему, так как УПВ-двигатель имеет более высокую эффективность, поскольку он использует уменьшенный объем воздуха в такте впуска и меньшую камеру сгорания благодаря более высокой степени сжатия СС, и поэтому ему требуется меньшее количество топлива для достижения равномерной температуры внутри камеры сгорания по сравнению со стандартным двигателем, который имеет более низкую СС и камеру сгорания большего размера. Однако настоящее изобретение по-прежнему будет использовать весь объем цилиндра во время такта рабочего хода, из-за чего горячие газы в конце этого такта будут иметь намного более низкое давление (очень близкое к атмосферному, или примерно 1 бар) и меньшую остаточную температуру, что обеспечит более высокую эффективность двигателя.
Максимальный сокращенный объем всасывания, который будет использоваться для повышения эффективности, в сравнении с современными двигателями, рассчитан приблизительно на 68% от общего объема цилиндра двигателя и/или менее этого показателя. Это означает, что в настоящем изобретении объем впуска должен быть всегда меньше или равен 68% от общего размера цилиндра. Он измеряется, когда впускные клапаны закрыты, а поршень приближается к точке в 110° или не успевает ее достичь, и/либо когда впускные клапаны закрыты, а поршень приближается к точке в 250° или уже проходит это положение коленчатого вала. Такой двигатель имеет также самую низкую степень сжатия, близко к СС=22 (в этом случае камера сгорания составляет около 4,5% от объема цилиндра двигателя), что является наименьшей эффективностью для этого типа УПВ-двигателя. Чем меньше объем всасывания, тем лучше, до тех пор, пока максимальная эффективность может быть достигнута путем создания оптимальной конструкции двигателя.
УПВ-двигатель может работать с дроссельной заслонкой или без нее.
Для уменьшения объема всасываемого воздуха в цилиндре двигателя могут быть использованы другие средства, например, клапаны управления воздушным потоком, узкие проходы и т.д. Их применение может приводить к практически аналогичным результатам, как и использование укороченного процесса впуска, и, следовательно, обеспечивать степень сжатия выше 22,1, как объяснено в данном тексте.
Такой двигатель спроектирован для работы с воздухом при атмосферном давлении, как и описывается в тексте, однако также может быть сконструирован УПВ-двигатель с (турбо)наддувом, который благодаря сочетанию определенного сокращения объема всасывания и более высокой степени сжатия, чем 22,1 (СС>22.1), может иметь аналогичную эффективность.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схему, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения для четырехтактного двигателя с предложенным укороченным процессом впуска.
Фиг. 2 представляет собой схему, иллюстрирующую четырехтактный процесс сгорания представленного изобретения для оптимального четырехтактного «УПВ» двигателя с укороченным процессом впуска в 55% и степенью сжатия 29.4.
e
Фиг. 3 является примером P-V (давление-объем) схем стандартного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре двигателя без наддува со степенью сжатия СС=10 и объемом цилиндра двигателя V=1 литр.
e
Фиг. 3А является примером наложенных P-V (давление-объем) схем стандартного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре двигателя без наддува со степенью сжатия СС=10 и объемом цилиндра двигателя V=1 литр.
t
e
Фиг. 4 является примером P-V (давление-объем) схем четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре «УПВ» двигателя со степенью сжатия СС=29.4, укороченным объемом впуска V=0.55 литра и объемом цилиндра двигателя V=1 литр.
t
e
Фиг. 4А является примером наложенных P-V (давление-объем) схем четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре «УПВ» двигателя со степенью сжатия СС=29.4, укороченным объемом впуска V=0.55 литра и объемом цилиндра двигателя V=1 литр.
Осуществление изобретения
Обратимся к Фиг. 1, которая показывает схему 1 четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре двигателя объемом 1 литр с укороченным процессом впуска, состоящего из сокращенного или укороченного процесса впуска с рекомендуемым максимальным угловым диапазоном коленчатого вала 4 (0°-<110°/>250°) для укороченного процесса впуска, который перетекает в укороченный процесс сжатия, максимально рекомендуемого укороченного процесса сжатия 7 (250°-360°), процесса расширения горячих газов 5 (приблизительно 360°-540°) и процесса выхлопа 6 (приблизительно 540°-0°) углового положения коленчатого вала, со степенью сжатия СС 3 рекомендуемого диапазона 22:1 или выше, и рекомендуемым объемом камеры сгорания 2, объем которой меньше чем 0.045 от объема цилиндра двигателя.
Обратимся к Фиг. 2., она показывает схему 1 оптимального рекомендованного четырехтактного процесса сгорания в одном цилиндре двигателя объемом 1 литр с укороченным процессом впуска, состоящего из сокращенного или укороченного процесса впуска 4 (0°-<94°/>266°), процесса сжатия 7 (266°-360°), процесса расширения горячих газов 5 (360°-540°) и процесса выхлопа 6 (540°-0°) углового положения коленчатого вала, со степенью сжатия СС 3 29.4:1 и объемом камеры сгорания 2, которая составляет 0.034 от объема цилиндра двигателя, и детальное описание каждого положения 8 процесса углового вращения.
Фиг. 3 и 3А иллюстрируют P-V (давление-объем) схемы 12 и наложенную P-V схему 13 стандартного двигателя без наддува с импульсным зажиганием объемом 1 литр со СС=10, где:
а - работа, затраченная двигателем на сжатие=2.30PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе=8.52PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется=5.66PV/такт (объем 1 литр),
d - тепло, подающееся двигателю сгорающим топливом, что увеличивает давление в 2.75 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем=6.22PV/такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Ε=6.22PV/11.88PV=52.4%
В то время как Фиг. 4 и 4А иллюстрирует P-V (давление-объем) схемы 14 и наложенную P-V схему 15 «УПВ» двигателя объемом 1 литр со СС=29.4, где:
а - работа, затраченная двигателем на сжатие=1.88PV/такт,
b - работа, накопленная двигателем на рабочем ходе=6.38PV/такт,
с - работа, которая не может быть сохранена на выхлопе и теряется=2.32PV/такт (объем 0.55 литра),
d - тепло, подающееся двигателю сгорающим топливом, что увеличивает давление в 2.75 раза,
е - баланс работы, накопленный двигателем=4.50PV/такт.
Упрощенный КПД этого двигателя: Ε=4.50PV/6.82PV=66%
Сравнение эффективности «Стандартного» и «УПВ» двигателей
e
Рассмотрим Фиг. 3 и 3А, они иллюстрируют P-V (давление-объем) схемы стандартного четырехтактного процесса сгорания 12 и 13 в одном цилиндре двигателя без наддува со степенью сжатия СС=10 и объемом цилиндра двигателя V=1 литр. Гипотетический объем расширения двигателя 2.18 литра представляет собой несуществующее расширение, показанное с целью оценить работу двигателя. Как видно из этой P-V схемы, температура стандартного двигателя в конце такта рабочего хода составляет около 1075°К или 802°С, а давление выхлопных газов равно приблизительно 2.75 бара.
e
Рассмотрим Фиг. 4 и Фиг 4А, они иллюстрируют P-V (давление-объем) схемы четырехтактного процесса сгорания 14 и 15 оптимального «УПВ» двигателя со степенью сжатия СС=29.4 и объемом цилиндра двигателя V=1 литр. Поскольку в этом УПВ-двигателе процесс впуска заканчивается на отметке 0,55 от общего объема, а сжатие начинается в этой же точке, из P-V схемы видно, что работа по сжатию для этого двигателя равна 1.88PV/такт, что при сравнении меньше, чем работа стандартного двигателя, который производит работу по сжатию, равную 2.30РV/такт для получения сопоставимого рабочего результата (е), 6.22PV/такт для стандартного двигателя и 4.50PV/такт для УПВ-двигателя. Температура УПВ-двигателя составляет 756°К или 483°С, а давление выхлопных газов в конце процесса расширения - 1.26 бара, что намного меньше, чем у стандартного двигателя.
Как видно из указанных P-V схем, КПД четырехтактного «УПВ» двигателя превышает КПД стандартного двигателя внутреннего сгорания с импульсным зажиганием (SI-ICE).
Хотя предпочтительные вариации настоящего изобретения были описаны для иллюстративных целей, специалисты в данной области техники оценят, что многие добавления, модификации и замены возможны без отклонения от сферы действия и сущности данного изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения.
Используемый выше и далее, в формуле изобретения, термин Высшая Мертвая Точка (ВМТ) означает, что поршень находится в точке, самой близкой к головке цилиндра, соответствующей положению коленчатого вала на 0° или 360°, а термин Нижняя Мертвая Точка (НМТ) означает, что поршень находится в самой дальней от головки цилиндра точке, соответствующей положению коленчатого вала на 180°. Общий объем цилиндра означает объем цилиндра, когда поршень находится в НМТ, а объем камеры сгорания означает объем цилиндра, когда поршень находится в ВМТ.