ЧЕТЫРЕХЦИЛИНДРОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ДОПОЛНЕНИЕМ ПЯТОГО ТАКТА
FOUR-CYLINDER INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH THE ADDITION OF THE FIFTH STROKE

Изобретение относится к области двигателестроения, может быть использовано в качестве привода в различных машинах, стационарных и передвижных энергетических установках в автомобильной, тракторной, электроэнергетической и других отраслях промышленности, связанных с изготовлением и эксплуатацией различных транспортных средств и силовых установок.
Известно решение RU 2326250 С1 "Способ осуществления рабочего цикла и устройство пятитактного двигателя внутреннего сгорания", МПК F02B 75/02, F02G 3/02, содержащее рабочее тело, которое генерируется в виде стационарного газового потока высокого давления путем сжигания в камере сгорания топлива в непрерывном потоке сжатого воздуха от компрессора. Далее энергия рабочего тела преобразуется в полезную механическую работу сначала в цилиндрах постоянного давления, а затем в цилиндрах - расширителях. В цилиндрах постоянного давления работает аэродинамическое давление рабочего газового потока, который затем подается в цилиндры-расширители, где производит работу в результате термодинамического расширения. Конструктивная реализация предлагаемого двигателя минимально включает следующие основные устройства: компрессор, камеру сгорания постоянного высокого давления, рабочие цилиндры постоянного давления, рабочие цилиндры-расширители, систему газообмена и газораспределительное устройство, систему синхронизации и механизм отбора мощности.
Недостатком этого технического решения является сложность конструкции, создание двигателя новой конструкции без унификации с серийными моделями двигателей. (RU2326250 С1, 10.06.2008).
Известно решение RU 2455507 С1 "Способ осуществления рабочего цикла и устройство пульсирующего двигателя внутреннего сгорания", МПК F02B 41/06, F02G 3/02, содержащее двигатель внутреннего сгорания, включающий последовательно: компрессор, камеру сгорания, цилиндры предварительного расширения, цилиндры последующего расширения, систему автоматического управления газообменом между камерой сгорания и цилиндрами предварительного расширения, между цилиндрами предварительного и последующего расширения и между цилиндрами последующего расширения и внешней средой, механизм отбора мощности. Вместо камеры сгорания постоянного давления используется пульсирующая камера сгорания, которая генерирует дискретный рабочий газовый поток, аккумулирующий на протяжении полного хода поршня в цилиндре предварительного расширения рабочее тело с давлением не ниже давления сжатия и с плотностью, меньшей плотности сжатия в компрессоре. Пульсирующая камера сгорания включает заслонку на впуске, с определенной частотой перекрывающей или открывающей канал (компрессор → камера сгорания) на протяжении полного хода поршня, и автоматическое устройство-синхронизатор, управляющее опциями заслонки, реагируя на изменение давления рабочего тела в пространстве между заслонкой и поршнем в цилиндре предварительного расширения. Заслонку открывают в момент, когда давление рабочего тела в пространстве между закрытой заслонкой и поршнем становится равным заданному значению, меньшему или равному давлению на впуске от компрессора сжатого воздуха или рабочей смеси. В промежутке времени между открытием и последующим закрытием заслонки в камере сгорания с помощью компрессора осуществляют формирование заряда сжатой рабочей горючей смеси, после чего инициализируют процесс сгорания. Заслонку закрывают в момент, когда давление рабочего тела в результате инициализации процесса сгорания превысит заданное значение. В промежутке времени между закрытием и последующим открытием заслонки осуществляют предварительное расширение рабочего тела. В момент завершения прямого хода поршня камеру сгорания переключают на другой цилиндр предварительного расширения, а в процессе обратного хода поршня осуществляют последующее расширение рабочего тела в цилиндр последующего расширения большего объема. В процессе обратного хода поршня в цилиндре последующего расширения осуществляют выпуск отработанного рабочего тела.
Недостатком этого технического решения является необходимость создания двигателя новой конструкции без унификации с серийными моделями двигателей (RU 2455507 С1, 10.07.2012).
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому объекту является решение US 6553977 В2 "Пятитактный двигатель внутреннего сгорания", МПК F02B 41/06, содержащий, по меньшей мере, один цилиндр низкого давления, работающий в двухтактном режиме, расположенный между двумя цилиндрами высокого давления, работающими в четырехтактном режиме, рабочую камеру. Каждый цилиндр высокого давления способен сообщаться с рабочей камерой цилиндра низкого давления через клапан и коллектор.
Недостатком этого технического решения является то, что двигатель новой конструкции не унифицирован с серийными моделями двигателей (US 6553977 В2, 29.04.2003).
Сущность изобретения
Задача, на которую направлено заявленное решение, повысить индикаторное КПД двигателя, увеличить экономичность двигателя, повысить эффективность утилизации энергии выхлопных газов двигателя, создание четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта на основе четырехцилиндрового двигателя с функцией четырехтактной работы серийной модели с незначительными изменениями.
Четырехцилиндровый двигатель внутреннего сгорания с дополнением пятого такта фиг.1 имеет коленчатый вал (5), два цилиндра высокого давления (1), (2), два цилиндра низкого давления (3), (4), поршни (1.1), (2.1), (3.1), (4.1), шатуны (1.2), (2.2), (3.2), (4.2), выпускные клапана (3.3), (4.3), впускные клапана (1.4), (2.4), перепускные клапана (1.5), (2.6), свечи зажигания (1.3), (2.3), впускные каналы (1.7), (2.5), выпускные каналы (3.4), (4.4), перепускные каналы (1.6), (2.7), соединительный канал (3.5).
Цилиндры низкого давления (3), (4) фиг. 1 располагаются между цилиндрами высокого давления (1), (2) и соединяются с цилиндрами высокого давления (1), (2) через перепускные каналы (1.6), (2.7). Во всех этих цилиндрах (1), (2), (3), (4) расположены одинаковые поршни (1.1), (2.1), (3.1), (4.1), связанные шатунами (1.2), (2.2), (3.2), (4.2) с коленчатым валом (5) двигателя. Цилиндры высокого давления (1), (2) содержат подъемные впускные клапана (1.4), (2.4), подъемные перепускные клапана (1.5), (2.6), свечи зажигания (1.3), (2.3), впускные каналы (1.7), (2.5). Цилиндры низкого давления (3), (4) содержат подъемные выпускные клапана (3.3), (4.3), выпускные каналы (3.4), (4.4).
Первый цилиндр низкого давления (3) соединен со вторым цилиндром низкого давления (4) соединительным каналом (3.5) фиг. 1 расположенным в блоке цилиндров и проходящим сквозь стенку между цилиндрами низкого давления (3), (4). Такое исполнение увеличивает степень расширения отработавших газов, позволяя цилиндрам низкого давления (3) и (4) функционировать как единый цилиндр с удвоенным рабочим объемом.
Двигатель имеет распределительный вал, кулачки которого открывают клапаны цилиндров высокого давления (1), (2) и низкого давления (3), (4), совершая один оборот за два оборота коленчатого вала (5) так, как это происходит в классических четырехтактных двигателях внутреннего сгорания. Кулачки, открывающие клапаны цилиндров низкого давления, имеют двухсторонний профиль. Благодаря этому в цилиндрах низкого давления (3), (4) осуществляется двухтактный цикл: расширение и выпуск.
Рабочий цикл стандартного бензинового четырехтактного двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время такта впуска, поршень перемещается вниз, и воздушно-топливная смесь всасывается в цилиндр. За этим следует такт сжатия, при котором поршень движется вверх и сжимает воздушно-топливную смесь. Такт сжатия достигает кульминации при импульсном зажигании воздушно-топливной смеси, которая двигает поршень вниз в такте рабочего хода. В такте выхлопа поршень снова перемещается вверх для выпуска отработавшего газа из цилиндра в процессе подготовки к следующему такту впуска.
Рабочий цикл бензинового пятитактного двигателя внутреннего сгорания состоит из пяти тактов: впуск фиг. 1, сжатие фиг. 2, рабочий ход фиг. 3, расширение (расширение отработавших газов) фиг. 4, выпуск фиг. 1.
Цилиндры высокого давления (1), (2) фиг. 1 работают по классическому четырехтактному циклу. В цилиндрах низкого давления (3), (4) происходит расширение отработавших газов, которое и называется пятым тактом. Таким образом, в цилиндрах низкого давления (3), (4) осуществляются только такты расширения и выпуска отработавших газов.
Рабочие фазы четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта.
Фаза А фиг. 1. Поршни (1.1), (2.1) в цилиндрах высокого давления (1), (2) движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, а поршни (3.1), (4.1) в цилиндрах низкого давления (3), (4) движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. В первом цилиндре высокого давления (1) осуществляется впуск воздушно-топливной смеси, а во втором цилиндре высокого давления (2) рабочий ход. В цилиндрах низкого давления (3), (4) осуществляется выпуск газов.
Фаза В фиг. 2. Поршни (1.1), (2.1) в цилиндрах высокого давления (1), (2) движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке, а поршни (3.1), (4.1) в цилиндрах низкого давления (3) и (4) движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В первом цилиндре высокого давления (1) осуществляется сжатие воздушно-топливной смеси, а во втором цилиндре высокого давления (2) вытеснение отработавших газов во второй цилиндр низкого давления (4). Во втором (4) и первом (3) цилиндрах низкого давления осуществляется расширение отработавших газов из второго цилиндра высокого давления (2).
Фаза С фиг. 3. Поршни (1.1), (2.1) в цилиндрах высокого давления (1), (2) движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Поршни (3.1), (4.1) в цилиндрах низкого давления (3), (4) движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. В первом цилиндре высокого давления (1) осуществляется рабочий ход, а во втором цилиндре высокого давления (2) впуск воздушно-топливной смеси. В цилиндрах низкого давления (3), (4) осуществляется выпуск газов.
Фаза D фиг. 4. Поршни (1.1), (2.1) в цилиндрах высокого давления (1), (2) движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Поршни (3.1), (4.1) в цилиндрах низкого давления (3), (4) движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В первом цилиндре высокого давления (1) осуществляется выпуск отработавших газов в первый цилиндр низкого давления (3), а во втором цилиндре высокого давления (2) сжатие воздушно-топливной смеси. В первом (3) и во втором (4) цилиндрах низкого давления осуществляется процесс расширения выпускных газов из первого цилиндра высокого давления (1).
Таким образом, рабочий цикл четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта осуществляется за два оборота коленчатого вала и состоит из двух групп процессов. Первая группа включает процессы впуска и рабочего хода в первом (1) или втором (2) цилиндрах высокого давления и выпуск газов из цилиндров низкого давления (3), (4) фиг. 1. Вторая группа включает процессы сжатия и вытеснения отработавших газов в первом (1) или втором (2) цилиндрах высокого давления и дополнительное расширение выпускных газов в цилиндрах низкого давления (3), (4) фиг. 2.
Технический результат заключается в увеличении экономичности двигателя за счет смещения зоны малых величин удельного расхода топлива в область низких нагрузок и частот вращения коленчатого вала, повышении эффективности утилизации энергии выпускных газов двигателя и индикаторного КПД за счет увеличения степени расширения отработавших газов вследствие работы цилиндров низкого давления как единый цилиндр с удвоенным рабочим объемом, создании четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта на основе четырехцилиндрового двигателя с функцией четырехтактной работы серийной модели с незначительными изменениями.
Краткое описание чертежей:
На фиг. 1 – схематичное изображение четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта в фазе А. Продольный разрез;
на фиг. 2 – схематичное изображение четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта в фазе В. Продольный разрез;
на фиг. 3 – схематичное изображение четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта в фазе С. Продольный разрез;
на фиг. 4 – схематичное изображение четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания с дополнением пятого такта в фазе D. Продольный разрез.
Краткое описание конструктивных элементов:
1 - первый цилиндр высокого давления;
1.1 - поршень;
1.2 - шатун;
1.3 - свеча зажигания;
1.4 - впускной клапан;
1.5 - перепускной клапан;
1.6 - перепускной канал;
1.7 - впускной канал;
2 - второй цилиндр высокого давления;
2.1- поршень;
2.2 - шатун;
2.3 - свеча зажигания;
2.4 - впускной клапан;
2.5 - впускной канал;
2.6 - перепускной клапан;
2.7 - перепускной канал;
3 - первый цилиндр низкого давления;
3.1 - поршень;
3.2 - шатун;
3.3 - выпускной клапан;
3.4 - выпускной канал;
3.5 - соединительный канал;
4 - второй цилиндр низкого давления;
4.1 - поршень;
4.2 - шатун;
4.3 - выпускной клапан;
4.4 - выпускной канал;
5 - коленчатый вал.
Осуществление заявленного решения:
Заявленное решение работает следующим образом.
Фаза А (фиг. 1). Впускной (2.4) и перепускной (2.6) клапаны закрыты. Во втором цилиндре высокого давления (2) происходит сгорание топливовоздушной смеси. Поршень (2.1) движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Открыт впускной клапан (1.4) и по впускному каналу (1.7) осуществляется впрыск топливовоздушной смеси в цилиндр (1). Поршень (1.1) первого цилиндра высокого давления (1) движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точки. Перепускные клапаны (1.5) и (2.6) закрыты. Поршень (4.1) во втором цилиндре низкого давления движется от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Открыты выпускные клапаны (3.3), (4.3) и по выпускным каналам (3.4) и (4.4) происходит выпуск отработавших газов.
Фаза В (фиг. 2). Впускные клапаны (1.4), (2.4) и выпускные клапаны (3.3), (4.3) закрыты. Поршни (2.1) и (1.1) в цилиндрах высокого давления (2) и (1) движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Открыт перепускной клапан (2.6) и по перепускному каналу (2.7) происходит выпуск отработавших газов во второй цилиндр низкого давления (4) и через соединительный канал (3.5) в первый цилиндр низкого давления (3). Поршни (3.1) и (4.1) движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В цилиндрах низкого давления (3) и (4) осуществляется процесс продолжения цикла расширения.
Фаза С (фиг. 3). Впускной клапан (1.4) и перепускной клапан (1.5) закрыты. В первом цилиндре высокого давления (1) происходит сгорание топливовоздушной смеси. Поршень (1.1) движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Открыт впускной клапан (2.4) и по впускному каналу (2.5) осуществляется впрыск топливовоздушной смеси в цилиндр (2). Поршень (2.1) движется от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. Поршни (3.1) и (4.1) цилиндров низкого давления движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Выпускные клапаны (3.3) и (4.3) открыты и по выпускным каналам (3.4) и (4.4) происходит выпуск отработавших газов.
Фаза D (фиг. 4). Впускные клапаны (1.4), (2.4) и выпускные клапаны (3.3), (4.3) закрыты. Поршни (1,1) и (2.1) в цилиндрах высокого давления (1) и (2) движутся от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. Открыт перепускной клапан (1.5) и по перепускному каналу (1.6) происходит выпуск отработавших газов в первый цилиндр низкого давления (3) и через соединительный канал (3.5) во второй цилиндр низкого давления (4). Поршни (3.1) и (4.1) движутся от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке. В цилиндрах низкого давления (3) и (4) осуществляется процесс продолжения цикла расширения.