СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ - ИРЕК
OPERATING METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE - IREK

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к роторным и поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Известен способ работы роторного двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2044139 от 23.04.1991), включающий предварительное сжатие воздуха, впуск его в камеру сгорания, подачу в камеру сгорания топлива с образованием топливно-воздушной смеси, ее сжигание и последующее расширение. При подаче в камеру сгорания топлива его расход регулируют. Предварительное сжатие воздуха производят до рабочего давления вне камеры сгорания, воздух впускают в камеру сгорания непрерывно, подачу топлива в камеру сгорания осуществляют во время расширения, а одновременно с регулированием расхода топлива регулируют расход воздуха.
Известное техническое решение обладает рядом недостатков:
- невозможность управления продолжительностью процессов в работе двигателя;
- зависимость двигателя от внешнего источника сжатого воздуха;
- продувка «мертвого» объема камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания для предотвращения смешения остатков отработанных газов со следующей порцией топливно-воздушной смеси осуществляется нерегулируемой порцией воздуха, что снижает КПД двигателя;
- регулирование осуществляется только путем дросселирования или изменения состава топливно-воздушной смеси.
- в двигателе для воспламенения топливно-воздушной смеси применена ненадежная спираль зажигания.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД двигателя за счет отсутствия продувки двигателя, снижение до минимума «мертвого» объема двигателя, расширение возможностей регулирования характеристик двигателя, а также повышение его удельной мощности.
Поставленная задача достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания, работающего с предварительным сжатием воздуха вне камеры сгорания, раздельной его подачей и топлива в камеру сгорания, сжигания топливно-воздушной смеси в камере сгорания и расширения продуктов сгорания в объемной машине, согласно изобретению продолжительность подачи воздуха в камеру сгорания регулируют закрытием впускного запорного органа, установленного на входе в камеру сгорания, регулируя таким образом в зависимости от выбора режима работы двигателя соотношение величины объема камеры сгорания на момент начала сжигания и величины рабочего объема расширительной машины.
При этом такт впуска топливно-воздушной смеси в камеру сгорания прерывают и переводят в такт рабочего хода путем закрытия впускного запорного органа с последующим воспламенением топливно-воздушной смеси.
Воздух в ресивере сжимают до давления, величина которого выше, чем степень сжатия расширительной машины для используемого топлива.
Топливо подают в расширительную машину посредством карбюратора. Как другой вариант, топливо впрыскивают в расширительную машину форсункой.
Топливно-воздушную смесь принудительно воспламеняют после закрытия входного запорного органа.
В предлагаемом способе объем рабочего хода расширительной машины определяют как объем, заключенный между положением рабочего органа в момент воспламенения топливно-воздушной смеси и положением рабочего органа в момент начала выпуска отработанных газов.
В поршневом варианте расширительной машины создают единый объем камеры сгорания, в котором процессы образования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и рабочего хода осуществляют последовательно в увеличивающемся объеме камеры сгорания, а процесс выпуска отработанных газов осуществляют из уменьшающегося объема камеры сгорания.
А в роторном варианте расширительной машины камеру сгорания разделяют подвижным рабочим органом на две переменные по объемам камеры, причем процессы образования топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и рабочего хода осуществляют последовательно в увеличивающемся объеме камеры сгорания двигателя и, одновременно, осуществляют процесс выпуска отработанных газов от предыдущего цикла из уменьшающегося объема камеры сгорания.
Давление воздуха в ресивере регулируют или поддерживают на заданной величине за счет выполнения кинематической связи вала двигателя с валом компрессора в виде передачи с изменяемым передаточным отношением.
Как другой вариант, давление воздуха в ресивере регулируют или поддерживают на заданной величине за счет привода компрессора электродвигателем с регулируемыми характеристиками.
Как альтернатива, сжатый воздух используют от внешнего источника.
Как в поршневом, так и роторном вариантах полный цикл работы расширительной машины осуществляют за один оборот вала двигателя.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания осуществляется следующим образом: в начале расширения в камеру сгорания подают топливо, например, через форсунку или карбюратор, а сжатый воздух из ресивера через входной запорный орган. За счет передачи с изменяемым передаточным отношением между двигателем и компрессором давление сжатого воздуха в ресивере поддерживают выше степени сжатия, чтобы сжатый воздух, поступающий в камеру сгорания, перед рабочим ходом, имел бы давление, соответствующее степени сжатия двигателя для заданного режима двигателя. Топливо, смешиваясь со сжатым воздухом, образует в камере сгорания топливно-воздушную смесь. При достижении заданного объема, давления и топливно-воздушного соотношения для заданного режима работы двигателя входной запорный орган закрывают, процесс приготовления топливно-воздушной смеси прекращают, а саму смесь принудительно воспламеняют, например, свечой зажигания. Образовавшееся повышенное давление горящих газов воздействует на подвижный рабочий орган и совершает процесс рабочего хода до максимального расширения объема камеры сгорания. Затем, уменьшая объем камеры сгорания, выпускают из него отработанные газы. Таким образом, за один полный оборот вала двигателя (поршневого или роторного) происходит полный цикл. Изменяя продолжительность открытия входного запорного органа для поступающего в камеру сгорания сжатого воздуха с одновременным регулированием расхода топлива в диапазоне расширения объема камеры сгорания, можно изменять соответственно эффективный объем рабочей смеси и объем рабочего хода, что, в свою очередь, позволит устанавливать режим работы двигателя (холостой ход, экономичный, крейсерский, форсированный и т.д.) в зависимости от заданного режима работы двигателя на текущий момент. Кроме того, при холостом ходе и на малых нагрузках за счет привода компрессора через вариатор или электродвигатель с изменяемыми характеристиками давление топливно-воздушной смеси в камере сгорания можно держать на минимальной степени сжатия, и, следовательно, скорость вращения вала двигателя на холостом ходу и на малых нагрузках будет меньше, чем в существующих двигателях внутреннего сгорания. Учитывая, что топливо подают в расширяющуюся в камеру сгорания, то можно использовать топливо с низким октановым числом, а воздух с увеличенной степенью сжатия, не опасаясь детонации. Кроме того, топливо, попадая в поступающую в камеру сгорания струю сжатого воздуха, имеющую за счет большего перепада давления, чем в обычных ДВС, более высокую скорость течения, позволяет лучше распылять и распределять топливо в камере сгорания и охлаждать камеру сгорания. При наличии независимого внешнего источника сжатого воздуха с соответствующим расходом и давлением можно исключить из компоновки двигателя компрессор и вариатор, подавая сжатый воздух непосредственно в ресивер.
Описываемый способ может быть реализован в роторном двигателе внутреннего сгорания, разделенном на три функциональные камеры: постоянная по объему камера для сжатого воздуха в виде ресивера, переменные по объемам камера сгорания и камера выпуска отработанного газа. Двигатель содержит корпус статора 1 с профилированной внутренней поверхностью, соприкасающейся в точке «А» с вращающейся цилиндрической поверхностью ротора 2, в котором подвижно установлена разделительная лопатка 3, постоянно поджатая торцом к внутренней поверхности статора 1 пружиной 4. На корпусе статора 1 между ресивером 5 и камерой сгорания 6, образованной тыльной стороной вращающейся рабочей лопатки 3, наружной поверхностью ротора 2 и внутренней поверхностью статора 1, находится впускной запорный орган 7. Входной запорный орган 7, топливная форсунка 8 и свеча зажигания 9 располагаются в максимальной близости от начала образования камеры сгорания 6. На одном валу 10 с осью О-О ротора 2 находится вариатор 11, приводящий в действие воздушный компрессор 12, соединенный с ресивером 5, через обратный клапан 13. На валу ротора 2 установлен датчик положения вала двигателя 14, а в ресивере датчик давления 15, которые передают информацию в узел управления 16, управляющий подачей топлива форсункой 8, продолжительностью открытия входного запорного органа 7, моментом подачи высокого напряжения на свечу зажигания 9 и передаточным отношением вариатора 11. В конце выпускной камеры 17, образованной передней стороной вращающейся рабочей лопатки 3, наружной поверхностью ротора 2 и внутренней поверхностью статора 1, имеется выпускное окно 18. В точке «А» имеется смазывающее и уплотнительное устройство 19. На торце рабочей лопатки 3 установлено уплотняющее устройство 20.
Роторный двигатель внутреннего сгорания по предлагаемому способу работает следующим образом. При вращении ротора 2 по часовой стрелке от точки «А» начинается подача топлива через форсунку 7 в расширяющуюся камеру сгорания 6 и при достижении рабочей лопаткой 3 угла α (Фиг.1), т.е. такого наименьшего угла поворота рабочей лопатки 3, при котором впускной запорный орган 7 уже находится за тыльной стороной рабочей лопатки 3, впускной запорный орган 7 открывается и сжатый компрессором 12 воздух из ресивера 5 перепускается в расширяющуюся камеру сгорания 6 и смешивается с топливом, образуя топливно-воздушную смесь. Кроме того, сжатый воздух, попадая в камеру сгорания 6, начинает давить на лопатку 3, совершая работу по расширению объема камеры сгорания. При дальнейшем вращении ротора 2 и достижении рабочей лопаткой 3 угла β (Фиг.2), т.е. такого наименьшего угла поворота рабочей лопатки 3, когда объем воздуха и топлива, их соотношение, в камере сгорания 6 соответствовало на момент воспламенения топливно-воздушной смеси давлению для заданного режима работы двигателя, впускной запорный орган 7 закрывается и подается высокое напряжение на свечу зажигания 9, которая воспламеняет топливно-воздушную смесь в камере сгорания 6, и высокое давление горящих газов начинает давить на рабочую лопатку 3 и заставляет вращаться ротор 2. Одновременно, по мере вращения ротора 2, рабочая лопатка 3 выталкивает из выпускной камеры 17 через выпускное окно 18 отработанные газы от предыдущего цикла (Фиг.3). Ротор 2 через вариатор 11 передает крутящий момент компрессору 12. Узел управления 16 по показаниям датчика давления 15 и датчика положения вала двигателя 14 автоматически регулирует передаточное отношение скоростей вращения валов ротора 3 и компрессора 12 посредством вариатора 11. При прохождении рабочей лопаткой 3 выпускного окна 18 начинается выпуск через него продуктов сгорания из камеры сгорания 6, и завершается их выпуск из выпускной камеры 17 от предыдущего цикла. При достижении лопаткой 3 исходной точки «А», что соответствует одному обороту вала двигателя, завершается полный цикл и начинается следующий.
Впускной запорный орган 7 может быть любого типа и приводиться в действие механически, пневматически, электрически или любым другим способом (привод входного запорного органа на чертежах не показан) через узел управления 16. За счет применения регулируемого, через узел управления 16, вариатора 11, передающего вращение от ротора 2 к компрессору 12, давление воздуха в ресивере 5 регулируется таким образом, чтобы в момент закрытия входного запорного органа 7 и подачи высокого напряжения на свечу зажигания 9 сжатый воздух имел оптимальное расчетное давление для заданного объема камеры сгорания 6, сорта топлива и его количества для достижения заданного режима работы двигателя.
Кроме того, подача воздуха и топлива в расширяющийся объем позволяет использовать большее давление (в других двигателях внутреннего сгорания - степень сжатия) топливно-воздушной смеси с дешевым низкооктановым топливом. Регулировка продолжительности открытия впускного запорного органа 7 позволяет легко менять отношение объема камеры сгорания 6 к объему рабочего хода и, следовательно, режим работы двигателя от экономного до форсированного, что практически недоступно для других двигателей внутреннего сгорания.
Учитывая, что сжатый воздух с давлением, превышающим расчетное давление сжатия, подается в разреженный расширяющийся объем, то этого достаточно, чтобы в момент достижения рабочей лопаткой 3 угла β образовать в расширяющейся камере сгорания 6 необходимые для заданного режима работы двигателя объем, давление и качество топливно-воздушной смеси.
Вышеуказанные возможности предлагаемого роторного двигателя внутреннего сгорания характеризуют его как «мягкий» способ работы, что позволит уменьшить расход топлива, количество ступеней коробки передач, загрязнение окружающей среды, а в целом повысить удельную мощность и КПД двигателя.
На чертежах поперечного сечения показаны основные процессы работы роторного двигателей внутреннего сгорания. Информационные связи от датчиков к узлу управления и исполнительные связи от узла управления к клапанам, форсунке, свече и вариатору, а также направления движения сжатого воздуха, выхлопных газов и направление вращения вала двигателя показаны линиями со стрелками. Исполнительная связь, которая на текущий момент активизирована, отображена на узле управления стрелками. Передача крутящего момента от вала двигателя к компрессору может осуществляться посредством регулируемого вариатора, аналогичного из патента СССР №359857, опубликованного 07.11.1969, патента ФРГ № DE 3801227 А1 от 18.01.1988 или патента США №5117799 от 02.06.1992 (все F02B).
Описываемый способ может быть реализован в поршневом двигателе, разделенном на две функциональные части: компрессор с ресивером и объемную расширительную машину (фиг.4). Двигатель содержит цилиндр 21, в котором подвижно установлен поршень 22, образующие вместе камеру сгорания 24. Поршень 22 передает возвратно-поступательное движение через кривошипно-шатунный механизм 23 на вал двигателя 25 в виде крутящего момента. На цилиндре 21 находятся впускной запорный орган 27, топливная форсунка 29, свеча зажигания 30 и выпускной запорный орган 28. Вал двигателя 25 передает крутящий момент вариатору 32, приводящий в действие компрессор 31, соединенный с ресивером 33, через обратный клапан 36. Датчик положения вала двигателя 26 и датчик давления 34 передают информацию в узел управления 35, управляющий подачей топлива через форсунку 29, продолжительностью открытия впускного запорного органа 27, моментом подачи высокого напряжения на свечу зажигания 30 и передаточным отношением вариатора 32. Передача крутящего момента от вала двигателя 25 к компрессору 31 может осуществляться посредством вариатора, аналогичного из патента СССР №359857, опубликованного 07.11.1969, патента ФРГ №3801227 от 17.11.1988 и патента США №5117799 от 02.06.1992 (все F02В).
На чертежах поперечного сечения двигателя показаны основные процессы работы поршневого двигателя внутреннего сгорания. Информационные связи от датчиков 26 и 34 к узлу управления 35 и исполнительные связи от узла управления 35 к запорным органам 27 и 28, форсунке 29, свече 30 и вариатору 32, а также направления движения сжатого воздуха, выхлопных газов и направление вращения вала двигателя показаны линиями со стрелками. Исполнительная связь, которая на текущий момент активизирована, отображена на узле управления 35 стрелками.
Поршневой двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. В начале расширения камеры сгорания 24 (Фиг.4) при движении поршня 22 от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке открывается впускной запорный орган 27 и в камеру сгорания 24 из ресивера 33 подается сжатый воздух. Одновременно в камеру сгорания 24 через форсунку 29 подается топливо, которое, смешиваясь с перепускаемым из ресивера 33 сжатым воздухом, вместе образуют топливно-воздушную смесь. При достижении в камере сгорания 24 заданного объема и давления топливно-воздушной смеси для текущего режима работы двигателя и сорта применяемого топлива впускной запорный орган 27 закрывается, процесс приготовления топливно-воздушной смеси завершается, а сама смесь принудительно воспламеняется свечой зажигания 30 (Фиг.5). Образовавшееся повышенное давление от горящих газов в камере сгорания 24 давит на поршень 22 и совершает процесс рабочего хода до максимального расширения объема камеры сгорания 24 и достижением поршнем 22 нижней мертвой точки (Фиг.6). После завершения процесса рабочего хода начинается процесс выпуска отработавших газов через выпускной запорный орган 28 (Фиг.7) путем уменьшения объема камеры сгорания 24 от максимального до минимального за счет движения поршня 22 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке и завершения процесса выпуска отработанных газов. Полный цикл завершается, и начинается новый цикл. Таким образом, за один полный оборот вала двигателя происходит полный цикл, причем при движении поршня от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки происходят последовательно только процессы приготовления топливно-воздушной смеси, ее воспламенения и рабочего хода, а при движении поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки -только процесс выпуска продуктов сгорания, что минимизирует «мертвый» объем в камере сгорания, имеющийся в существующих двигателях внутреннего сгорания, и позволяет осуществить почти полное очищение камеры сгорания от продуктов сгорания.
Работа клапанов 27 и 28, топливной форсунки 29, свечи зажигания 30 и вариатора 32 осуществляется через узел управления 35, причем привод запорных органов 27 и 28 и регулировка работы вариатора 32 может осуществляться любым способом (механическим, электрическим и т.д.). Информация о давлении воздуха в ресивере 33 и расположении поршня 22 в цилиндре 21 поступает соответственно с датчика давления 34 и датчика положения вала двигателя 26 в узел управления 35. Учитывая, что сжатый воздух подается в камеру сгорания 24 через впускной запорный орган 27 в начале движения поршня 22 от верхней мертвой точки, когда линейная скорость поршня минимальна, а также, что сжатый воздух и топливо подаются в разреженный расширяющийся объем, то этого времени достаточно, при малых начальных скоростях движения поршня 22 и при относительно малом прохождении поршня 22 от верхней мертвой точки, образовать в расширяющейся камере сгорания 24 необходимые объем и давление топливно-воздушной смеси, которая после воспламенения свечой зажигания 30 совершит работу по дальнейшему движению поршня 22 от положения в момент воспламенения топливно-воздушной смеси до нижней мертвой точки. Кроме того, сжатый воздух, попадая в камеру сгорания, начинает давить на поршень 22, совершая работу по расширению объема камеры сгорания, до воспламенения топливно-воздушной смеси. Момент, когда закрывается впускной запорный орган 27 при угле γ поворота вала двигателя 25 и подается высокое напряжение на свечу зажигания 30 с последующим воспламенением топливно-воздушной смеси, является регулируемой величиной для получения заданного режима работы двигателя на текущий момент: мощность, крутящий момент, количество оборотов вала двигателя и режим работы (экономичный, крейсерский, форсированный и т.д.), достигаемые регулировкой моментов закрытия впускного клапана 27 с последующей подачей высокого напряжения на свечу зажигания 30, что практически недоступно для существующих двигателей внутреннего сгорания.
Возможность регулирования степени сжатия топливно-воздушной смеси и большая доля продолжительности рабочего хода, доходящая до 75% и более от полного цикла для роторного двигателя и до 45% для поршневого 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. Кроме того, возможности регулирования как степени сжатия, так и объема камеры сгорания позволяют расширить технические характеристики двигателя внутреннего сгорания. Возможно изготовление компрессорного и рабочего блоков из различных материалов, а также применение одного общего компрессорно-ресиверного блока для нескольких рабочих блоков и наоборот. «Мертвый» объем камеры сгорания поршневого и роторного двигателей минимален, что позволяет осуществлять практически полное освобождение рабочей камеры от продуктов сгорания во время процесса выпуска. Все внутренние поверхности роторного двигателя являются самоочищающимися, а наличие впускного и выпускного окон вместо клапанов упрощает конструкцию и смягчает работу роторного двигателя.
При низких температурах двигатель можно завести и прогреть от отдельного топливного бачка с легковоспламеняемым топливом, а после прогрева перейти на основное топливо.
Двигатель может работать на газовом топливе. Наличие отдельного компрессора с ресивером предоставляет ряд удобств на автомобиле - подкачка шин, пневмодомкрат, пневмоусилители тормозов и рулевого управления, пневмолебедка и т.д.