СПОСОБ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ
PISTON ENGINE OPERATION

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Оно касается комбинированных поршневых двигателей, а именно способа их работы.
Известны различные способы работы комбинированных поршневых двигателей, представленных 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 способ работы показанного в патенте №3514206, МПК F02B 41/06, выданном в ФРГ, комбинированного поршневого двигателя, имеющего одинаковые средние и крайние цилиндры с расположенными в них поршнями, связанными с коленчатым валом двигателя, впускные и выпускные клапаны, каналы для прохода воздуха в цилиндры двигателя и выпуска из них горячего газа. Этот двигатель имеет лишь один режим работы, при котором подают воздух только в крайние цилиндры и перепускают образующиеся в них горячие газы поочередно из каждого крайнего цилиндра в средние цилиндры для продолженного их расширения.
Задача - расширение функциональных возможностей поршневого двигателя при разных его нагрузках для более эффективного использования энергии горячих газов.
Решение задачи расширения функциональных возможностей поршневого двигателя с четырьмя одинаковыми цилиндрами обеспечено тем, что используют попеременно режим работы двигателя, при котором по очереди сжимают воздух в каждом цилиндре и подают в него топливо, которое воспламеняют, образуя горячий газ, выпускаемый после его расширения наружу, и режим работы двигателя, при котором прекращают подавать воздух в средние цилиндры, увеличивают в два раза частоту открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов средних цилиндров, перепускают в средние цилиндры при увеличении их объема горячий газ поочередно из крайних цилиндров и выпускают расширившийся горячий газ из средних цилиндров при уменьшении их объема.
При таком способе происходит работа двигателя при малых и средних его нагрузках по четырехтактному циклу только в крайних цилиндрах и продолженное расширение горячих газов, направляемых из каждого крайнего цилиндра в средние цилиндры, а при больших нагрузках происходит работа двигателя по четырехтактному циклу во всех четырех его цилиндрах. Включение при малой и средней нагрузке двигателя режима продолженного расширения горячих газов путем их перепуска в средние цилиндры из крайних цилиндров и затем при большой нагрузке на двигатель включение режима работы двигателя по четырехтактному циклу во всех его цилиндрах существенно улучшает преобразование энергии горячих газов в механическую энергию, способствующее снижению расхода топлива двигателем с обеспечением высоких динамических его характеристик.
При работе двигателя прекращают подавать воздух в средние цилиндры и перепускают в них горячий газ поочередно из крайних цилиндров посредством распределителей потоков воздуха и горячего газа.
На фиг.1 показана схема поршневого комбинированного двигателя при установке распределителей потоков воздуха и горячего газа в положение, при котором двигатель работает по четырехтактному циклу во всех его цилиндрах.
На фиг.2 показана схема этого комбинированного двигателя при установке распределителей потоков воздуха и горячего газа в положение, при котором происходит работа двигателя по четырехтактному циклу в крайних его цилиндрах и продолженное расширение в средних цилиндрах горячих газов, выпускаемых из крайних цилиндров.
Комбинированный 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 (фиг.1). Во всех этих цилиндрах расположены одинаковые поршни 5, связанные шатунами 6 с коленчатым валом 7 двигателя с его шатунными шейками. Шатунные шейки 8, с которыми связаны поршни средних цилиндров 2 и 3, повернуты относительно шатунных шеек 9, связанных с поршнями крайних цилиндров 1 и 4, на 180º. Цилиндры содержат подъемные впускные клапаны 10 и подъемные выпускные клапаны 11.
Двигатель содержит два двухпозиционных золотниковых распределителя 12 и 13 потоков воздуха и горячих газов. Распределители 12 и 13 содержат цилиндрические поворотные золотники 14 и 15, имеющие между собой механическую связь 16 посредством цепной или зубчатой передачи либо с помощью рычажных поводков, связанных между собой тягой. В золотнике 14 сделан поперечный паз 17 для прохода воздуха, а в золотнике 15 сделан паз 18 для прохода горячего газа.
Двигатель содержит турбокомпрессор 19, состоящий из лопаточного компрессора 20 и лопаточной турбины 21.
В двигателе имеются канал 22 для прохода воздуха от компрессора 20 через каналы 23 к впускным клапанам крайних цилиндров 1 и 4, канал 24, расположенный между компрессором 20 и распределителем 12, канал 25 для прохода воздуха от распределителя 12 к впускным клапанам средних цилиндров 2 и 3 через канал 26, расположенный между другим распределителем 13 и упомянутыми впускными клапанами средних цилиндров, и через канал 27. Кроме того, в двигателе имеются канал 28 для прохода горячего газа к турбине 21 из средних цилиндров 2, 3 при открытых их выпускных клапанах, канал 29, расположенный между распределителем 13 и турбиной 21, каналы 30 и 31 для прохода горячего газа от выпускных клапанов крайних цилиндров 1 и 4 к распределителю 13.
В первой позиции распределителей 12 и 13 впускают воздух поочередно во все цилиндры двигателя при увеличении в них объема при открытом впускном клапане, по очереди сжимают воздух в каждом цилиндре и подают в него топливо, которое воспламеняют, образуя горячий газ, выпускаемый наружу из цилиндров при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане. В этом случае происходит работа двигателя по четырехтактному циклу в каждом его цилиндре, что обеспечивает создание на коленчатом валу двигателя наибольшего поворотного (крутящего) момента. На этом режиме работы двигателя при открытии впускного клапана 10 любого из крайних цилиндров, например, цилиндра 1, воздух в этот цилиндр подают от компрессора 20 по каналу 22 и по каналу 23. При открытии впускного клапана любого из средних цилиндров, например цилиндра 2, воздух в указанный цилиндр подают от компрессора 20 по каналу 24, затем через распределитель 12 по каналу 25, потом по разветвляющемуся каналу 26 и по каналу 27. При открытии выпускного клапана крайнего цилиндра горячий газ из этого цилиндра выпускают к турбине 21 через каналы 31 и 30, распределитель 13 и канал 29. А при открытии выпускного клапана среднего цилиндра горячий газ из этого цилиндра выпускают к турбине 21 через разветвляющийся канал 28 и канал 29.
Во второй позиции распределителей 12 и 13 (фиг.2) прекращают подавать воздух в средние цилиндры 2 и 3 и впускают воздух поочередно только в крайние цилиндры 1 и 4 при увеличении в них объема при открытом впускном клапане, сжимают воздух в каждом крайнем цилиндре и подают в него топливо, которое воспламеняют, образуя горячий газ. Этот горячий газ из крайних цилиндров 1 и 4 при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане перепускают в средние цилиндры 2 и 3 при увеличении в них объема и затем выпускают горячий газ из средних цилиндров 2 и 3 наружу при уменьшении их объема при открытом выпускном клапане. При указанной позиции распределителей 12 и 13 происходит продолженное расширение в средних цилиндрах горячих газов, выпускаемых поочередно из крайних цилиндров, что обеспечивает экономичность работы двигателя при малых и средних его нагрузках. При этом происходит работа двигателя по четырехтактному циклу в крайних его цилиндрах 1 и 4 и по двухтактному циклу в средних его цилиндрах 2 и 3, при котором впускные и выпускные клапаны средних цилиндров открывают и закрывают в два раза чаще, чем клапаны крайних цилиндров. При работе двигателя на указанном режиме при открытии впускного клапана 10 крайнего цилиндра, например цилиндра 1, воздух в крайний цилиндр подают от компрессора 20 по каналам 22 и 23. Из крайнего цилиндра после рабочего хода поршня 5 при уменьшении объема этого цилиндра при открытом впускном клапане 11 горячий газ по каналам 31, 30, через распределитель 13, по каналам 26 и 27 поступает в средние цилиндры 2 и 3 во время увеличения их объема при открытых их впускных клапанах. При поступлении горячего газа в средние цилиндры 2 и 3 совершается во время перемещения поршней полезная дополнительная работа. Затем при уменьшении объема средних цилиндров 2, 3 во время движения их поршней в сторону впускного и выпускного клапанов расширившийся горячий газ через открытые выпускные клапаны выходит из этих цилиндров и проходит по каналам 28, 29 к турбине 21 турбокомпрессора.
При этом способе работа двигателя при малых и средних его нагрузках происходит по четырехтактному циклу в крайних цилиндрах и продолженное расширение горячих газов, направляемых из каждого крайнего цилиндра в средние цилиндры, а при больших нагрузках обеспечивается работа двигателя по четырехтактному циклу во всех четырех его цилиндрах. Включение режима продолженного расширения горячих газов путем их перепуска в средние цилиндры из крайних цилиндров при малой и средней нагрузке двигателя и затем включение с помощью двухпозиционных распределителей режима работы двигателя по четырехтактному циклу во всех его цилиндрах при большой нагрузке на него существенно повышается эффективность использования энергии горячих газов, что улучшает преобразование энергии горячих газов в механическую энергию, способствующее снижению расхода топлива двигателем с обеспечением высоких динамических его характеристик.