СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD OF OPERATING INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен способ воспламенения в двигателе внутреннего сгорания (патент США №6655327 от 02.12.2003), для осуществления которого предлагается двигатель, в котором имеются промежуточные верхняя и нижняя мертвые точки, в которых направление движения поршня изменяется. Подаваемый в двигатель воздух сжат до определенного давления и подается в камеру сгорания с топливом или без него в течение части рабочего хода, определенный требуемым моментом на различных скоростях двигателя, когда поршень находится до или после ВМТ и воспламенение топлива подаваемым воздухом в течение рабочего хода.
Это техническое решение обладает рядом недостатков, а именно:
- компрессор и двигатель находятся на одном валу, что делает невозможным регулировку работы компрессора в соответствии с требуемой степенью сжатия топливно-воздушной смеси;
- применение двух компрессоров последовательно, производительность которых полностью зависит от режима работы двигателя, что создает трудности с обеспечением высокого давления сжатого газа на малых скоростях вращения, с одной стороны, а с другой стороны, необходимостью сбрасывать избыток давления на высоких скоростях вращения, что снижает коэффициент полезного действия двигателя;
- точка воспламенения зависит от режима работы двигателя и имеет существенные ограничения при больших нагрузках и малых оборотах;
- дизельный вариант двигателя не будет работать, т.к. воспламенить впрыскиваемое топливо в охлажденный (например, как предлагается водой) воздух невозможно.
Известен двигатель внутреннего сгорания (патент США №6543225 от 08.04.2003) с четырехтактным циклом, содержащий коленвал и связанный с ним силовой поршень в одном цилиндре и поршень сжатия - во втором цилиндре. За один оборот коленвал силового поршня обеспечивает протекание рабочего такта и такта выпуска, а поршень сжатия за тот же оборот коленвала обеспечивает протекание такта впуска и такта сжатия. Оба цилиндра соединены газовым каналом с впускными и выпускными клапанами, образуя между собой камеру давления, в которой в течение полного четырехтактного цикла посредством впускного и выпускного клапанов поддерживается заданное из условия зажигания давление газа. Ось силового поршня смещена относительно оси коленвала таким образом, что точка максимального давления сгорания воздействует на силовой поршень, совмещая с точкой максимального вращательного момента, приложенного к коленвалу во время рабочего такта.
Это техническое решение обладает рядом недостатков, а именно:
- компрессор и двигатель находятся на одном валу, что делает невозможным регулировку работы компрессора в соответствии с требуемой степенью сжатия топливно-воздушной смеси;
- трудности с обеспечением высокого давления сжатого газа на малых скоростях вращения, с одной стороны, а с другой стороны, необходимостью сбрасывать избыток давления на высоких скоростях вращения, что снижает коэффициент полезного действия двигателя;
- перепуск сжатого заряда из одного цилиндра в другой через газовый канал с впускным и выпускным клапанами резко снижает КПД двигателя на высоких оборотах;
Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2414619 от 04.05.2008) с описанием роторного и поршневого вариантов его осуществления и принятый за прототип, с подачей сжатого воздуха в ресивер компрессором, приводимым в действие двигателем через вариатор, причем во время увеличения объема камеры сгорания подачу топлива и сжатого воздуха регулируют моментом закрытия впускного запорного органа с последующим воспламенением топливно-воздушной смеси, изменяя при этом соотношение величины объема камеры сгорания на момент воспламенения к величине рабочего объема двигателя. В обоих вариантах осуществления способа полный цикл работы двигателя внутреннего сгорания происходит за один оборот вала.
Известное техническое решение обладает недостатками, а именно:
- постоянная кинематическая связь вала расширительной машины с валом компрессора на всех режимах работы двигателя;
- повышенный расход топлива на холостом ходе и на малых оборотах.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение удельного расхода топлива на минимальных оборотах и холостом ходе, а также получение максимальной выходной мощности и крутящего момента на максимальных оборотах.
Техническим результатом изобретения является возможность работы двигателя без процесса сжатия топливно-воздушной смеси, с применением дешевых низкооктановых видов топлива, на минимальных оборотах и холостом ходе, а также кратное увеличение мощности и крутящего момента с бездетонационной работой двигателя на средних и больших нагрузках.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что путем изменения момента закрытия впускного запорного органа изменяют соотношение величины объема камеры сгорания в момент начала воспламенения в ней топливно-воздушной смеси к величине рабочего объема, отличающийся тем, что на средних и максимальных нагрузках воздух в камеру сгорания подают компрессором, а на режимах холостого хода и малых нагрузок привод компрессора отключают от вала двигателя, а подачу воздуха в камеру сгорания осуществляют путем создания перепада давления между атмосферой и камерой сгорания.
Поставленная задача достигается также тем, что температуру и давление, подаваемого компрессором сжатого воздуха, регулируют.
Поставленная задача достигается также тем, что регулируют режим работы компрессора путем изменения передаточного отношения между валом двигателя и приводом компрессора, например, с помощью коробки переключения передач или бесступенчатого вариатора.
Поставленная задача достигается также тем, что привод компрессора дополнительно связывают с валом трансмиссии автомобиля с помощью управляемой муфты.
Поставленная задача достигается также тем, что на малых нагрузках управляемую муфту привода компрессора с валом трансмиссии автомобиля оставляют включенной.
Поставленная задача достигается также тем, что подаваемый в камеру сгорания воздух дополнительно сжимают в компрессоре, приводимом энергией продуктов сгорания.
Поставленная задача достигается также тем, что топливно-воздушную смесь приготавливают путем впрыска топлива форсункой в камеру сгорания.
Изобретение поясняется при помощи чертежей.
На фиг.1 показана конструкция двигателя, в котором реализуется заявленный способ;
На фиг.2-6 показана последовательность работы двигателя на режимах холостого хода и малых нагрузок;
На фиг.7-11 показана последовательность работы двигателя на режимах средних и максимальных нагрузок.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания для реализации предлагаемого способа разделен на две функциональные части: компрессор и расширительную машину (фиг.1), и содержит цилиндр 1 с крышкой 2, в котором подвижно установлен поршень 3, образующие вместе камеру сгорания 4. Поршень 3 передает возвратно-поступательное движение через кривошипно-шатунный механизм 5 на вал двигателя 6 в виде крутящего момента. На крышке 2 цилиндра 1 находятся нагнетательный впускной запорный орган 7, атмосферный впускной запорный орган 8, свеча зажигания 9 и выпускной запорный орган 10. Вал двигателя 6 передает крутящий момент вариатору 11, приводящему в действие компрессор 12, соединенный посредством воздушной линии 13 с ресивером 14 через обратный клапан 15. Ресивер 14 соединен каналом 16 через впускной запорный орган 7 с камерой сгорания 4. Вал двигателя 6 соединен с валом 17 вариатора 11 посредством управляемой муфты 18, например, фрикционной, гидравлической и т.д. для соединения или разобщения валов 6 и 17. Отработанные газы отводятся из камеры сгорания 4 через выпускной запорный орган 10 и канал выпуска 19. Атмосферный воздух поступает в камеру сгорания 4 по каналу 20 через атмосферный впускной запорный орган 8. В месте поступления атмосферного воздуха в канал 20 могут быть установлены воздушный фильтр и средство наддува (не показаны). Вал 17 вариатора 11 соединен с валом 21 трансмиссии автомобиля посредством управляемой муфты 22, например, фрикционной, гидравлической и т.д. для соединения или разъединения валов 21 и 17. Топливо в цилиндр может подаваться форсункой (не показана). В дополнение к ресиверу 14 может использоваться по крайней мере один дополнительный ресивер (не показан). Давление сжатого воздуха в каждом ресивере отличается друг от друга, а подача воздуха из каждого ресивера по отдельности или вместе зависит от режима работы двигателя. Сжатый воздух перед попаданием в камеру сгорания 4 может охлаждаться, например, при помощи радиатора (не показан).
Способ работы двигателя внутреннего сгорания в режиме холостого хода и на малых нагрузках (фиг.2-6) осуществляется следующим образом. Управляемая муфта 22 отключена и разъединяет вал 6 от вала 21 трансмиссии, а муфта 18 может включаться периодически для наполнения ресивера 14. Приведение в действие запорных органов 7, 8 и 10 свечи зажигания 9, а также направления движения воздуха и выхлопных газов показаны стрелками.
В начале расширения камеры сгорания 4 (фиг.2) при движении поршня 3 от верхней мертвой точки открывается атмосферный впускной запорный орган, и в камеру сгорания 4 из окружающей среды через канал 20 всасывается атмосферный воздух. Компрессор 12 отключен от двигателя управляемой муфтой 18, и воздух поступает в камеру сгорания 4 непосредственно из атмосферы. Одновременно в камеру сгорания 4 через форсунку или карбюратор подается расчетное количество топлива, которое, смешиваясь с атмосферным воздухом, образует в камере сгорания 4 топливно-воздушную смесь. При достижении в камере сгорания 4 заданного объема атмосферный впускной запорный орган 8 закрывается, процесс приготовления топливно-воздушной смеси завершается, а сама смесь принудительно воспламеняется свечой зажигания 9 (фиг.3). Образовавшееся повышенное давление горящих газов в камере сгорания 4 осуществляет процесс рабочего хода, причем давление горящих газов воздействует на движущийся поршень 3 и совершает работу до максимального расширения объема камеры сгорания 4 и достижения поршнем 3 нижней мертвой точки. После достижения поршнем 3 нижней мертвой точки (фиг.4) завершается процесс рабочего хода. При движении поршня 3 от нижней мертвой точки выпускной запорный орган 10 открывается и начинается процесс выпуска отработавших газов через выпускной канал 19 путем уменьшения объема камеры сгорания 4 за счет движения поршня 3 от нижней мертвой точки вверх (фиг.5). После достижения поршнем верхней мертвой точки и завершения процесса выпуска отработанных газов выпускной запорный орган 10 закрывается и открывается атмосферный запорный орган 8 (фиг.6). Полный цикл завершается и начинается новый цикл. Так как в режиме холостого хода и на малых нагрузках двигателя отсутствует процесс сжатия топливно-воздушной смеси, а кинематическая связь с компрессором 12 отключена, то энергия сгорания топливно-воздушной смеси необходима только на преодоление сил трения движущихся частей двигателя, что уменьшает расход топлива на холостом ходу и на малых оборотах. Изменяя продолжительность открытия входного запорного органа 8 для поступающего в камеру сгорания 4 атмосферного воздуха с одновременным регулированием расхода топлива в диапазоне расширения объема камеры сгорания, можно изменять, соответственно, объем топливно-воздушной смеси и объем рабочего хода. Учитывая, что топливо подают в расширяющуюся в камеру сгорания, а воздух поступает из атмосферы, то можно применять низкосортное дешевое топливо с низким октановым числом без детонационной работы двигателя. При наличии турбонаддува, также можно увеличить мощность двигателя.
Способ работы поршневого двигателя внутреннего сгорания в режиме больших, средних нагрузок и форсажа осуществляется следующим образом. Управляемая муфта 18 включена и соединяет вал 6 с валом 17. На фиг.7-11 показаны основные процессы работы поршневого двигателя внутреннего сгорания на указанных режимах. Приведение в действие запорных органов 7 и 10 свечи зажигания 9, а также направления движения воздуха и выхлопных газов показаны стрелками.
В начале расширения камеры сгорания 4 (фиг.7) при движении поршня 3 от верхней мертвой точки открывается нагнетательный впускной запорный орган 7 и в камеру сгорания 4 из ресивера 14 через канал 16 поступает сжатый воздух. Компрессор 12 соединен управляемой муфтой 18 с валом 6 двигателя, а сжатый воздух поступает из компрессора 12 в ресивер 14. Необходимое расчетное давление в ресивере 14 поддерживается за счет наличия вариатора 11. Одновременно в камеру сгорания 4 через форсунку подается расчетное количество топлива, которое смешиваясь со сжатым воздухом образует в камере сгорания 4 топливно-воздушную смесь. Давление в ресивере 14 поддерживают выше максимального давления, необходимого для двигателя в режиме форсажа. При достижении в камере сгорания 4 заданного объема и давления нагнетательный впускной запорный орган 7 закрывается, процесс приготовления топливно-воздушной смеси завершается, а сама смесь принудительно воспламеняется свечой зажигания 9 (фиг.8). Давление горящих газов воздействует на движущийся вниз поршень 3, который совершает рабочий ход до максимального расширения объема камеры сгорания 4 и достижения поршнем 3 нижней мертвой точки. После достижения поршнем 3 нижней мертвой точки (фиг.9) завершается процесс рабочего хода. При движении поршня 3 от нижней мертвой точки выпускной запорный орган 10 открывается и начинается процесс выпуска отработавших газов через выпускной канал 1 путем уменьшения объема камеры сгорания 4 от максимального до минимального за счет движения поршня 3 от нижней мертвой точки вверх (фиг.10). После достижения поршнем верхней мертвой точки и завершения процесса выпуска отработанных газов выпускной запорный орган 10 закрывается (фиг.11), полный цикл завершается и начинается следующий.
В камере сгорания 4 существует минимальный «вредный» объем, в котором остаются остатки отработавших газов, так как поршень 3 в конце выпуска отработанных газов, находясь в своей верхней мертвой точке, доходит до крышки цилиндра 2, не касаясь ее, а полный цикл происходит за один оборот вала 6 двигателя. Это позволяет производить более полное очищение цилиндра 1 от отработавших газов.
Воспламенение топливно-воздушной смеси происходит после прохождения поршнем 3 верхней мертвой точки и поворота кривошипно-шатунного механизма 5 для образования необходимого объема камеры сгорания 4 для текущего режима работы, что уменьшает ударные нагрузки на поршень 3. Изменяя продолжительность открытия впускного запорного органа 7 для поступающего в камеру сгорания 4 сжатого воздуха с одновременным регулированием расхода топлива в диапазоне расширения объема камеры сгорания 4, можно изменять, соответственно, объем топливно-воздушной смеси и объем рабочего хода. Наличие вариатора 11 позволяет автоматически поддерживать необходимое давление в ресивере 14, а наличие двух или более ресиверов с различными величинами давления сжатого воздуха позволяет быстро и без задержек переходить с одного режима работы двигателя на другой. Сжатый воздух, попадая в камеру сгорания 4 повышает коэффициент наполнения и, воздействуя на поршень, совершает работу по его перемещению вниз. Учитывая, что сжатый и охлажденный воздух, а вместе с ним и топливо, подают в расширяющуюся в камеру сгорания 4, то можно использовать топливо с низким октановым числом, например, прямогонный бензин, а сжатый воздух с давлением, намного превышающим величину давления сжатой топливно-воздушной смеси в двигателе внутреннего сгорания с искровым зажиганием с аналогичными размерами камеры сгорания и рабочего объема цилиндра с использованием одного типа топлива. Детонации в двигателе не будет из-за отсутствия критических значений температуры сжатого воздуха. Если взять в качестве примера для сравнения обычный бензиновый двигатель с искровым зажиганием со степенью сжатия 10, в котором топливно-воздушная смесь сжата поршнем в своей верхней мертвой точке до давления примерно 1,5 МПа, а в предлагаемом двигателе подать сжатый воздух, чтобы после закрытия впускного запорного органа 7 и перед зажиганием заряда топливно-воздушной смеси его давление в камере сгорания составляло примерно 2,3 МПа, и принимая во внимание, что в обоих двигателях воздушно-топливное соотношение одинаково, то развиваемая предлагаемым двигателем мощность будет примерно в полтора раза выше, чем у обычного двигателя. Если в дополнение к вышесказанному закрытие впускного запорного органа 7 произвести после достижения объема камеры сгорания 4, равного двойному объему камеры сгорания обычного двигателя, то мощность предлагаемого двигателя будет заметно выше, чем у обычного двигателя. При этом рабочий объем предлагаемого двигателя уменьшится примерно на 10%. Эти возможности двигателя по мгновенному увеличению удельной мощности можно использовать на автомобиле при обгоне, на самолете и вертолете при взлете, на любом другом транспорте или машине, где требуется пиковое значение отбираемой мощности от двигателя. Кроме того, топливо, попадая в поступающую в камеру сгорания 4 струю сжатого воздуха, имеющую за счет большего перепада давления между ресивером 14 и камерой сгорания 4 более высокую скорость течения, что позволяет лучше распылять и перемешивать топливо в камере сгорания 4, а также охлаждать стенки цилиндра 1.
Для улучшения заполнения камеры сгорания воздухом на разных режимах работы двигателя можно установить на крышке 2 один общий впускной запорный орган с предкамерой, в которую подается воздух через отдельные атмосферный запорный орган или нагнетательный запорный орган. В режиме холостого хода и на малых нагрузках двигателя компрессор 12 может работать на аккумулирование сжатого воздуха в ресивере 14, и при достижении давления сжатого воздуха в ресивере 14 до заданной величины компрессор 12 отключается от расширительной машины при помощи управляемой муфты 18, после чего для работы двигателя на холостом ходе требуется минимальное количество топлива, необходимое только на преодоление сил трения движущихся частей двигателя. В этом случае работы двигателя достаточно энергии сгорания заряда с атмосферным давлением. При наличии большой кинетической энергии движущегося автомобиля вал 21 трансмиссии передает крутящий момент только на вал 17 компрессора 12 через включенную управляемую муфту 22 и при отключенном управляемой муфтой 18 двигателе, что позволяет создать запас сжатого воздуха для последующего использования (фиг.12). После достижения давления сжатого воздуха в ресивере 14 до необходимой величины управляемая муфта 22 отсоединяет вал 21 трансмиссии от вала 17 компрессора 12. При длительных и крутых спусках автомобиля можно использовать расширительную машину и компрессор для торможения, включив обе управляемые муфты 18 и 22, а излишний сжатый воздух от компрессора 12 подавать через пневмолинии к тормозным дискам и колодкам автомобиля для их охлаждения. Для многоцилиндровых двигателей можно использовать один компрессор (поршневой, винтовой и т.д.).
Возможность регулирования степени сжатия топливно-воздушной смеси и большая доля продолжительности рабочего хода в полном цикле двигателя, доходящая до 45% для предлагаемого двигателя, по сравнению с максимальной долей в 25% в обычном четырехтактном двигателе внутреннего сгорания, позволяет производить более легкий запуск двигателя и увеличивает его удельную мощность. Возможен пуск двигателя сжатым воздухом из ресивера. При низких температурах двигатель можно завести и прогреть другим легковоспламеняемым топливом, а после прогрева перейти на основное топливо.
Двигатель может работать также и на газовом топливе.