ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Предложенная конструкция относится к автомобильной промышленности, в частности к четырехтактным ДВС с электронным впрыскиванием топливных компонентов.
В настоящее время в условиях постоянно дорожающего топлива и ухудшающихся экологии в мировой автомобильной промышленности проводятся большие поисковые работы по созданию ДВС, обладающих повышенным КПД, пониженным расходом топлива и экологически чистым выхлопом.
Известно много различных путей, по которым ведется это работа: это и оптимизация работы механических узлов ДВС, и электронное дозирование и впрыскивание топлива, применение новых схем работы ДВС, например, с т.н. продолженным расширением, организация работы ДВС на разных видах топлива в зависимости от условий эксплуатации, разработка ДВС на альтернативных видах топлива и т.п.
Одним из направлений, позволяющих вести работу по улучшению вышеуказанных параметров ДВС является ДВС с добавкой в топливо водной компоненты, которая позволяет существенно влиять на параметры сгорания топлива, динамику газодинамических процессов горения, и, как следствие, на КПД двигателя, его экономичность и экологию выхлопа.
Известен ДВС (1), в котором впрыскивание воды в цилиндры производится в конце такта сжатия специальным насосом, поддерживающим в системе охлаждения ДВС давление воды 15 атм.
Недостатками данного ДВС являются:
- существенное усложнение конструкции ДВС из-за объединения системы охлаждения с системой впрыскивания воды;
- низкий процент прироста КПД ДВС от работы производимой водяным паром при расширении пара из-за впрыскивания подогретой воды в конце такта сжатия;
- использование для впрыскивания воды из системы охлаждения, насыщенной солями, которые будут осаждаться в ДВС при эксплуатации и снижать живучесть ДВС.
Известен ДВС (2), в котором впрыскивание воды производится в такте «рабочий ход» непосредственно в цилиндр с целью охлаждения блока цилиндров при работе ДВС и улучшения экологии выхлопа.
Недостатком данного ДВС является низкий процент прироста КПД ДВС от работы производимой водяным паром при расширении из-за впрыскивания подогретой воды в конце такта «рабочий ход».
Известен ДВС (3), в котором производят кольцевое впрыскивание воды через форсунку во время такта «рабочий ход» для охлаждения блока цилиндров, организуя после выпуск паров воды и газа в теплообменное устройство для последующего вторичного использования воды.
Недостатками данного ДВС являются:
- усложнение конструкции ДВС из-за организации кольцевого впрыскивания воды;
- низкий процент прироста КПД ДВС от работы производимой водяным паром при расширении из-за впрыскивания подогретой воды во время такта «рабочий ход».
Вышеуказанный ДВС (3) взят автором в качестве прототипа предложенному, как наиболее близкий по технической сути, так и по достигаемому техническому эффекту при использовании.
Задачей, которую автор решал при разработке предлагаемой конструкции ДВС, являлось повышение КПД ДВС за счет повышения работы производимой по перемещению поршня паром.
Эта задача решена в предложенном ДВС, который содержит по меньшей мере один цилиндр с размещенным внутри него поршнем, кинематически связанным с коленчатым и газораспределительным валами, последний из которых предназначен для открытия и закрытия впускного и выпускного клапанов, установленных в соответствующих патрубках, системы электронной подачи воды и топлива подсоединенные ко входному патрубку для последовательного впрыскивания воды, а потом топлива в камеру сгорания через управляемые форсунки в такте «впуск», для чего в блоке управления выполнены соответствующие настройки.
Существенно новыми признаками предложенного ДВС являются:
- выполнение системы подачи воды с электронным впрыскиванием;
- подсоединение ее к подводящему патрубку;
- выполнение впрыскивания в камеру сгорания сначала воды, а потом топлива в такте «впуск», что обеспечено соответствующей настройкой блока управления форсунками.
В частном случае выполнения ДВС в нем система электронной подачи воды снабжена подогревателем, например, за счет размещения трубопровода системы в выхлопном патрубке и выполнения его в виде змеевика.
Существенно новым признаками ДВС в частном случае его выполнения являются:
- снабжение системы подачи воды узлом подогрева воды;
- выполнение узла подогрева в виде размещенной в выхлопной трубе части трубопровода системы, выполненного в виде змеевика.
По мнению автора вышеуказанные признаки можно отнести к существенным, т.к. в совокупности с остальными они позволили на 20-30% повысить КПД ДВС, за счет лучшей организации условий парообразования в цикле и увеличения доли прироста работы, производимой паром в такте «рабочий ход».
Предлагаемый четырехтактный ДВС с электронной подачей топливных компонентов представлен на фиг 1-5, где:
- на фиг.1 представлен общая схема ДВС в конце такта «выпуск»;
- на фиг.2 представлен момент начала впрыскивания водной компоненты в такте «впуск»;
- на фиг.3 представлены моменты конца впрыскивания водной компоненты и начала впрыскивания топливной компоненты в такте «впуск»;
- на фиг.4 представлены моменты конца впрыскивания топливной компоненты в конце такта «впуск» и начала такта «сжатие»;
- на фиг.5 представлены моменты конца такта «сжатие» и воспламенения рабочей смеси;
- на фиг.6 представлен моменты конца такта «рабочий ход» и начала такта «выпуск».
Предлагаемый ДВС содержит цилиндр 1, в котором установлен поршень 2, соединенный посредством кривошипо-шатунного механизма 3 с коленчатым валом 4.
Последний через шестеренчатую пару и кулачки газораспределительного вала (на схеме не показаны) имеет возможность взаимодействия с впускным 5 и выпускным 6 подпружиненными клапанами, которые установлены в головке цилиндра и соединены с впускным 7 м выпускным 8 патрубками.
Во впускном патрубке 7 установлены электромагнитные форсунки 9 и 10, для впрыскивания воды и топлива, связанные с системой подачи воды и подачи топлива соответственно.
Система подачи воды помимо форсунки 9 имеет последовательно соединенные патрубками бак 11, насос 12 и подогреватель, который может быть выполнен в виде проточного змеевика 13, установленного в выпускном патрубке 8.
В частном случае выполнения ДВС последний может быть снабжен узлом конденсации воды из выхлопных газов, который может быть выполнен в виде охлаждаемой, например, за счет набегающего воздуха емкости 14, вход 15 которой соединен с выходом патрубка 8, один из выходов 16 соединен с баком 11, а второй выход 17 соединен с атмосферой.
Система подачи топлива кроме форсунки 10 имеет бак 18 и насос 19.
Оба насоса и 12 и 19 могут выполнены электромеханическими, например, турбинного типа, также как и форсунки 9 и 10.
Блок 20 управления работой электромагнитными форсунками подсоединен своими входами к датчику 21 положения коленчатого вала 4, а выходами - к исполнительным обмоткам форсунок 9 и 10.
Система зажигания в предлагаемом ДВС-типовая от катушки зажигания на свечу и на схеме показана условно под номером 22.
Работа предлагаемого ДВС по тактам производится следующим образом.
В такте «впуск» открывается клапан 5 и воздух начинает всасываться в полость цилиндра 1.
В соответствии с настройкой датчика 21 положения коленчатого вала 4, блоком управления 20 выдается сигнал на срабатывание электромагнитной форсунки 9 подачи воды и в полость цилиндра 1 впрыскивается распыленная подогретая вода и активно смешивается с воздухом.
Через некоторое время, которое зависит от заданного режима работы ДВС, (чем более обороты тем больше воды тем большее время работа форсунки) форсунка 9 по сигналу блока управления 20 закрывается и подача распыленной воды прекращается
В это время воздух продолжает поступать в полость цилиндра 1.
Далее в зависимости от заданного режима работы ДВС с блока управления 20) подается сигнал на срабатывание форсунки 10.
В полость цилиндра начинает впрыскиваться распыленное топливо и смешиваться с засасываемым воздухом.
В конце такта по сигналу с блока управления 20 закрывается форсунка 10 и подача распыленного топлива прекращается.
Клапан 5 закрывается.
Такт сжатия, (фиг.4).
Клапаны 5 и 6 закрыты. Поршень движется от НМТ к ВМТ. Смеси, которые образовались во время такта «впуск», не успевают за столь короткий промежуток времени перемешаться между собой, поэтому происходит как бы «послойное» их сжатие.
В конце такта образуются как бы три сжатых слоя, это слой воздушно-водяной смеси, слой воздуха, и слой топливо-воздушной смеси.
Такт «рабочий ход», (фиг.5).
После воспламенения топливо-воздушной смеси системой воспламенения 22, происходит процесс ее горения, в котором значительная доля тепла расходуется на нагрев водяной компоненты, которая под воздействием высоких температур и давления, мгновенно закипает с образованием перегретого пара.
В результате расширения образовавшегося пара давление в полости цилиндра существенно возрастает и под его давлением поршень движется от ВМТ к НМТ.
Такт «выпуска» отработавших газов, (фиг.1).
В конце такта «рабочий ход» газораспределительным механизмом открывается выпускной клапан 6 и отработавшие газы вытесняются из полости цилиндра поршнем 2 в выходной патрубок 8.
При этом, отработавшие газы, обтекая змеевик 13, нагревают воду в системе подачи воды.
Далее цикл повторяется.
Все детали и узлы двигателя выполнены из стандартных материалов для автомобилестроения с использованием известных технологий.
Как показывают предварительные расчеты в предлагаемом ДВС, на 25-30% повышается его КПД, уменьшается на 1,5-2 литра расход топлива на 100 км. пути, а выхлопные газы удовлетворяют третьему сертификату европейских требований без всяких технологических добавок.
В настоящее время автором проводятся подготовительные работы по изготовлению опытного образца ДВС на базе автомобиля ВАЗ.
Литература.
1. Патент РФ на изобретение №2099554 от 20.12.1997 г. МПК: F02B, 47/02
2. Патент РФ на изобретение №2053390 от 01.03.1993 г., МПК: F02B, 47/02
3. Патент РФ на изобретение №2069274 от 20.11.1992 г. МПК: F02B, 47/02