УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПРИНУДИТЕЛЬНОГО ГАЗООБМЕНА В ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
DEVICE AND METHOD FOR FORCED GAS EXCHANGE IN ICE

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к производству двигателей внутреннего сгорания.
Известен четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндропоршневую группу, впускные и выпускные клапаны, впускной и выпускной коллекторы.
При работе двигателя внутреннего сгорания впускные и выпускные клапаны открываются и закрываются со значительным опережением и запаздыванием. Есть периоды, когда одновременно открыты оба клапана, в это время происходит и поступление в цилиндр свежего заряда воздуха, и выпуск отработавших газов. Свежий заряд воздуха смешивается с отработанными газами, и часть его выходит через выпускной клапан, а часть через впускной клапан возвращается в системы впуска. В результате количество свежего заряда воздуха, оставшегося в цилиндре после окончания впуска, оказывается меньше общего количества свежего заряда воздуха, поступившего в цилиндр при газообмене.
Опережение открытия выпускного клапана обеспечивает более эффективную очистку цилиндра за счет избыточного давления отработавших газов в процессе расширения, но снижает полезную работу отработавших газов в конце процесса расширения [1].
Недостатками данного способа являются:
1. Неэффективный газообмен в цилиндре двигателя внутреннего сгорания.
2. Потеря части полезной работы отработанных газов двигателя, за счет раннего открытия выпускного клапана.
Известны способы, повышающие эффективность газообмена в двигателе внутреннего сгорания - наддув. Под наддувом понимается принудительная подача порции свежего воздуха в цилиндры двигателя под давлением, превышающим давление окружающей среды. Для наддува двигателей применяются центробежные и объемные нагнетатели. Привод центробежных нагнетателей осуществляется или от коленчатого вала двигателя, или от специальной газовой турбины, использующей энергию отработавших газов (газотурбинный наддув) [2].
Недостатком этого решения является создание дополнительного сопротивления (газовая турбина) препятствующая качественному и эффективному удалению отработанных газов из цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Известно устройство, использующее газовые потоки от нескольких цилиндров, объединенных в одном трубопроводе в общий поток, движущийся с высокой скоростью и не препятствующий движению потоков газа из разных цилиндров. Соединяя выпускной трубопровод с несколькими цилиндрами, можно добиться того, что активный выпуск происходил из одного цилиндра; в то время в других цилиндрах будет происходить наполнение и принудительный выпуск. Выпускной трубопровод в этом случае делают в виде асимметричного эжектора, который во время активного выпуска из одного цилиндра подсасывает газы из другого [3].
Недостатком этого устройства, вследствие большой сложности газодинамических процессов, протекающих в выпускных трубопроводах, является возможность эффективной работы устройства только в небольшом диапазоне оборотов коленчатого вала двигателя.
За прототип принят двигатель внутреннего сгорания (RU, патент 2055224, F02B 35/00, 1996) [4]. Двигатель содержит корпус с цилиндропоршневой группой, органы газообмена и выпускной коллектор и снабжен вихревым эжектором и дополнительными органами газообмена в виде выпускных клапанов, соединенных трубопроводом с пассивным соплом вихревого эжектора, активное сопло которого соединено с выпускным коллектором. В результате этого цилиндры двигателя через выпускные клапаны подключены к источнику разряжения в виде вихревого эжектора. Кроме того, дополнительные выпускные клапаны соединены трубопроводом с приосевой зоной камеры смешения вихревого эжектора. Также размещение вихревого эжектора между радиатором охлаждения двигателя и двигателем обеспечивает засасывание окружающей среды эжектором через радиатор и охлаждение теплоносителя в этой системе.
Предлагаемое техническое решение позволяет произвести удаление отработавших газов из цилиндра до подачи воздуха в него, отсутствие перекрытия клапанов впускных и выпускных, отсутствие продувки цилиндра воздухом, увеличение скорости удаления отработавших газов и впуска воздуха в цилиндр, уменьшение работы по удалению отработавших газов из цилиндра, увеличение работы расширения, полноты удаления отработавших газов из эффективного объема цилиндра, улучшение экологической характеристики двигателей, шумоподавление. Использование вихревого эжектора для охлаждения двигателя, обеспечивает существенное увеличение мощности двигателя, повышение экономичности и коэффициента полезного действия, а также уменьшение выбросов токсичных веществ в окружающую среду.
К недостаткам данного двигателя надо отнести сложность выхода вихревого эжектора как основного рабочего органа системы на постоянный режим при цикличном выхлопе ДВС. Также не определены агрегатные состояния рабочего тела и его основные термодинамические характеристики. Связи с чем при работе реального ДВС ряд отличительных положительных результатов, видимо, трудно достижим.
Технической задачей изобретения является создание устройства, позволяющего создать эффективное наполнение цилиндра двигателя внутреннего сгорания свежим зарядом воздуха и эффективное удаление отработанных газов из цилиндра двигателя внутреннего сгорания путем создания постоянного пропорционально поданному топливу наддува воздуха и постоянного отсоса отработанных газов из цилиндра двигателя внутреннего сгорания.
Технический результат, получаемый при использование устройства принудительного газообмена в двигателе внутреннего сгорания позволит:
- увеличить коэффициент наполнения, который характеризует качество процесса впуска и учитывает отклонение условий внутри цилиндра от условий на впуске в двигатель. Производители двигателей стремятся к увеличению коэффициента наполнения;
- уменьшить коэффициент остаточных газов, который оценивает степень очистки цилиндров двигателя от продуктов сгорания. Чем меньше коэффициент остаточных газов, тем больше количество свежего заряда можно разместить в цилиндре, следовательно, получить двигатель большей мощности с тем же рабочим объемом. Поэтому всегда стремятся получить минимальные значения коэффициента остаточных газов;
- повысить коэффициент полезного действия двигателя, за счет увеличения продолжительности полезной работы избыточного давления сгоревших газов в цилиндре, изменив фазы газораспределения (начало и конец открытия и закрытия впускного и выпускного клапанов двигателя);
- уменьшить выброс токсичных веществ в окружающую среду, за счет более полного сгорания топлива в цилиндре двигателя.
Для достижения указанного технического результата предлагается использовать устройство принудительного газообмена в двигателе внутреннего сгорания. Заявляемое устройство поясняется чертежами:
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства принудительного газообмена двигателя внутреннего сгорания, состоящая из:
1. Впускной воздушный коллектор
2. Инжектор наддува
3. Двигатель внутреннего сгорания
4. Воздушный фильтр двигателя
5. Воздушный компрессор
6. Эжектор выхлопа
7. Регулирующий клапан наддува
8. Регулирующий клапан на входе компрессора
9. Выпускной коллектор
10. Регулирующий клапан выхлопа
11. Воздушный фильтр компрессора
12. Воздушный накопитель
13. Датчик напора воздуха во впускном коллекторе
14. Датчик тяги в выпускном коллекторе
15. Датчик давления в воздушном накопителе
16. Трубопровод сжатого воздуха
17. Клапан на входе воздушного накопителя
18. Датчик уровня воды в воздушном накопителе
19. Клапан дренажа воздушного накопителя
20. Блок управления системы принудительного газообмена
21. Кабель соединения блока управления с датчиками и клапанами.
Устройство принудительного газообмена работает следующим образом.
Воздушный компрессор (5) через воздушный фильтр компрессора (11) и регулирующий клапан (8) на входе компрессора засасывает воздух из атмосферы и нагнетает его в воздушный накопитель (12). Из воздушного накопителя (12) по трубопроводу (16) сжатый воздух через регулирующий клапан (10) поступает к эжектору выхлопа (6), расположенному на выпускном коллекторе (9) двигателя внутреннего двигателя (3) и через регулирующий клапан (7) к инжектору наддува (2), расположенному на впускном коллекторе (1) двигателя внутреннего сгорания (3).
Инжектор (2) засасывает воздух из атмосферы через воздушный фильтр (4) и создает избыточное давление во впускном коллекторе (1). Давление во впускном коллекторе (1) контролируется датчиком напора (13) и регулируется клапаном (7).
Эжектор выхлопа (6) создает разрежение в выпускном коллекторе (9) контролируется датчиком тяги (14) и регулируется клапаном (10).
Давление в воздушном накопителе (12) контролируется датчиком давления (15) и регулирующим клапаном на входе компрессора (8).
При работе компрессора в воздушном накопителе (12) будет происходить конденсации воды из атмосферного воздуха. Для предотвращения заброса воды в трубопровод сжатого воздуха (16) в воздушном накопителе (12) устанавливается датчик воды (18), который контролирует уровень воды в воздушном накопителе (12). При превышении определенного уровня подает сигнал на клапан (19) на его открытие, сброс воды из воздушного накопителя и закрытие.
При отключении двигателя и воздушного компрессора клапан на входе воздушного накопителя (17), клапаны наддува (7) и выхлопа (10) перекрывают воздухопровод (16) для сохранения давления воздуха в воздушном накопителе (12).
Контроль параметров датчиков и управление клапанами осуществляет блок управления системы принудительного газообмена (20).
Осуществление изобретения возможно при производстве двигателей внутреннего сгорания путем оснащения их указанным устройством.
Источники информации
1. Стуканов В.А. «Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля»: Учебное пособие - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. - 368 с.: ил. - (Серия «Профессиональное образование»).
2. Патрахальцев Н.Н. «Наддув двигателей внутреннего сгорания»: Учеб. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2003. - 319 с.: ил.
3. Двигатели внутреннего сгорания: Системы поршневых и комбинированных двигателей. Учебник для вузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» / С.И.Ефимов, Н.А.Иващенко, В.И.Ивин и др.; Под общ. Ред. А.С.Орлина, М.Г.Круглова. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 456 с., ил.
4. Патент Российской Федерации RU 2055224, МПК F02B 35/00. Гявгянен Ю.В., Геллер С.В. Двигатель внутреннего сгорания. Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам. Бюллетень 6 от 27.02.1996, стр.198-199.