ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к четырехтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания.
В тексте и на иллюстрациях приняты следующие сокращения:
- ДВС - двигатель внутреннего сгорания,
- ВМТ - верхняя мертвая точка поршня,
- НМТ - нижняя мертвая точка поршня,
- КС - камера сгорания,
- ОГ - остаточные газы,
- ВпК - впускной клапан,
- ВыК - выпускной клапан,
- БЦ - блок цилиндров,
- ГБЦ - головка блока цилиндров,
mах
- Р - максимальная мощность ДВС, л.с.,
а
- Р - атмосферное давление, атм,
к
- р - давление в коллекторе, атм,
ц
- Р - давление в цилиндре, атм,
к
- V - объем коллектора.
на круговых диаграммах фаз газораспределения:
- угол открытия или закрытия клапанов отсчитывается по часовой стрелке, начиная от ВМТ начала такта впуска в градусах поворота коленчатого вала,
- 0° - начало отсчета - ВМТ начала такта впуска,
- 180° - НМТ такта впуска,
- 360° - ВМТ такта сжатия,
- 540° - НМТ такта рабочего хода,
- 720° - ВМТ такта выпуска,
- φ - углы между моментами открытия или закрытия клапанов,
- α - углы между ВМТ или НМТ и моментами открытия клапанов,
- β - углы между ВМТ или НМТ и моментами закрытия клапанов,
- толстые линии соответствуют закрытому состоянию клапанов,
- тонкие - открытому. На иллюстрациях:
Фиг.1 - классический поршневой четырехтактный ДВС;
Фиг.2 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.1;
Фиг.3 показана схема продувки в классическом двигателе с двумя клапанами на цилиндр;
Фиг.4 - схема продувки в классическом двигателе с четырьмя клапанами на цилиндр;
Фиг 5 - схема продувки в заявленном двигателе;
Фиг.6 - заявленный двигатель с тремя клапанами на цилиндр;
Фиг.7 - схема продувки двигателя на фиг.6;
Фиг.8 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС, показанного на фиг.6;
Фиг.9 - то же, круговая диаграмма фаз газораспределения с перекрытием выпускных клапанов;
Фиг.10 - эскиз четырехцилиндрового ДВС с вакуумным насосом;
Фиг 11 - вид А на фиг.10.
Особенности работы различных типов ДВС рассматриваются на примере одноцилиндрового бензинового инжекторного ДВС. Системы питания и зажигания на фигурах условно не показаны.
Классический ДВС (фиг.1) в общем случае содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8.
Диаграмма фаз газораспределения - см. фиг.2.
ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень чуть не доходит до точки 720°.
34
Классический ДВС с двумя клапанами на цилиндр имеет высокий уровень СО, СН на низких оборотах и не добирает мощность на высоких. Это обусловлено тем, что камеру сгорания (КС) не удается хорошо очистить (продуть) от остаточных газов (ОГ) воздухом из впускного коллектора в конце такта выпуска - начале такта впуска (точка 720°). Продувка происходит во время перекрытия клапанов (угол φ). При этом (см. фиг.3) поток продувочного воздуха слаб сам по себе и, в основном, проходит по кратчайшему пути от ВпК 3 к ВыК 4. На периферии КС ОГ не движутся, и даже повышение давления воздуха на впуске наддувом или внешним компрессором ([1], [2]) существенно не улучшает продувку. В этих условиях растет скорость продувочного воздуха по кратчайшему пути от ВпК 3 к ВыК 4 или от источника высокого давления к Вык 4, но на периферии КС ОГ все равно остаются.
max
max
max
Удвоение количества впускных и выпускных клапанов позволяет снизить массу ОГ в КС вблизи точки 720° (см. фиг.4). При этом уменьшается уровень СО, СН на холостых оборотах и вырастает Р. Например, для двухлитрового безнаддувного ДВС «АУДИ 80» с двумя клапанами на цилиндр P=115, а для такого же ДВС с четырьмя клапанами на цилиндр - P=138. Все шире применяются ДВС и с пятью клапанами на цилиндр.
Заметим, что при общем числе клапанов на цилиндр более трех приходится использовать два распредвала - конструкция ДВС сильно усложняется.
Цель изобретения - улучшить качество продувки КС существенно не усложняя ДВС.
Для этого в КС ДВС (фиг.5) между ВпК 3 и ВыК 4 устанавливается поперечная перегородка 9 (фиг.1 - пунктир). Эта перегородка имеет неравномерную перфорацию, площадь которой увеличивается от центра к периферии, что позволяет внести небольшое гидравлическое сопротивление продувочному воздуху на кратчайшем пути от ВпК 3 к ВыК 4 и заставить его идти и по периферии.
макс
макс
Выхлоп всех цилиндров многоцилиндрового ДВС от всех выпускных клапанов поступает, как правило, в общий коллектора, затем - в систему нейтрализации и глушения. Из-за существенного гидравлического сопротивления, вносимого, в основном, глушителем, давление в выпускном коллекторе больше атмосферного практически на всем протяжении такта выпуска. Это ухудшает наполняемость цилиндра свежим зарядом и снижает Р ДВС. Известно, что Р ДВС с глушителем в среднем на 10% меньше, чем у ДВС без глушителя.
3
4
34
4
к
макс
Вблизи точки 720°, когда продувается один цилиндр (углы α, β φ), в каком-то другом цилиндре открывается ВыК 4 (угол α), кратковременно давление Р в общем выпускном коллекторе резко вырастает, это нарушает продувку и снижает Р. Многоцилиндровый ДВС имеет один или несколько узких отрезков в диапазоне оборотов, где он плохо принимает.
Для нивелирования указанных недостатков в исходный ДВС (фиг.1) вводится дополнительный выпускной клапан, который работает в отдельный выпускной коллектор. На выходе этого коллектора создается разрежение.
Улучшение параметров ДВС с помощью принудительной откачки выхлопа из цилиндра известно, например, из ДВС [3]. В нем выхлоп из рабочего цилиндра откачивается вспомогательным цилиндром, который установлен рядом на общем коленчатом валу, и таким образом создает разрежение в выпускном коллекторе рабочего цилиндра. Этот ДВС 131 принят за прототип.
Предлагаемый ДВС (см. фиг.6) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. В КС установлена поперечная перфорированная перегородка 9. ДВС включает дополнительный ВыК 10, который приводится своим кулачком от общего распредвала. ВыК 4 работает в выпускной коллектор 11 (высокого давления) и глушитель 12. Дополнительный ВыК 10 работает в коллектор 13 (низкого давления). Разрежение в нем создается вакуумным насосом 14. Он приводится через приводной шкив 15 от шкива коленчатого вала 16 через шкив 17 общим ремнем 18 с редукцией повышения.
Диаграммы фаз газораспределения - фиг.8 и 9. Фиг.6 - эскиз четырехцилиндрового ДВС.
ДВС работает следующим образом.
4
4
10
3
10
В такте впуска цилиндр набирает заряд, в следующем такте - сжимает его, затем заряд поджигается искрой, далее следует такт расширения рабочего тела (такт рабочего хода), в конце которого, не доходя до НМТ 540° на угол α, открывается ВыК 4, через него в коллектор 11 и глушитель 12 истекает основная часть отработавших газов на протяжении угла α+α. Затем ВыК 4 закрывается и открывается ВыК 10. В этом состоянии при открытых ВпК 3 и ВыК 10 на протяжении угла перекрытия клапанов φ, происходит продувка КС воздухом из впускного коллектора. ОГ выходят в коллектор 13 под воздействием собственной инерции и разрежения от вакуумного насоса 14.
10
После точки 720°, по истечении небольшого угла β (около 10°) ВыК 10 закрывается и при открытом ВпК 3 цилиндр набирает новый заряд на движении поршня вниз. В общем случае ВыК 10 может закрываться и до точки 720°. Основная масса выхлопа проходит через ВыК 4 и коллектор 11, они работают в наиболее напряженном тепловом режиме. Дополнительный ВыК 10 открывается позднее. К этому моменту температура газов в цилиндре в разы меньше, чем в начале такта выпуска, а давление немногим больше атмосферного. Таким образом, коллектор 13 может быть выполнен легкой гофрой, а к вакуумному насосу 14 не предъявляются жесткие требования по температурной устойчивости, как, например, к выхлопной турбине наддува ДВС.
Самый мощный акустический фронт (хлопок) происходит в момент открытия ВыК 4, к моменту открытия ВыК 10 этот шум уже минует глушитель. Истечение ОГ через коллектор 13 не сопровождается сильным рокотом и практически не требует глушителя.
макс
4
4
4
Р ДВС увеличивается за счет увеличения заряда на впуске (при уменьшении ОГ). Применение вакуумного насоса позволяет уменьшить время на очистку КС, поэтому можно уменьшить угол α, увеличив при этом угол рабочего хода 180° - α и коэффициент полезного действия (кпд) ДВС. Заметим, что у двухклапанных ДВС α=40…70°.
4
В общем случае уменьшение α сопровождается рядом позитивных последствий:
- снижается звуковое давление работающего ДВС,
- снижается температура и давление отработавших газов в начале такта выпуска, что позволяет увеличить диаметры выпускных клапанов,
макс
- растет Р и кпд ДВС.
10
Заметим, что энергия, потраченная на создание разрежения в коллекторе 13, возвращается - оно втягивает поршень в цилиндр после открытия ВыК 10. Из диаграммы фиг.8 ясно, что с этой точки зрения следует по возможности снижать угол α, чтобы увеличить время полезного воздействия разрежения на днище поршня. На практике этот угол может быть снижен вплоть до 20° (см. фиг.8 - пунктир).
ц
ц
10
ц
ц
10,4
10,4
В конце такта рабочего хода температура газов в цилиндре Т≈1000°С, а Р=3…5. После открытия ВыК 4 и к моменту α=20°, Р≈1.2, Т≈150°С. При таких параметрах выхлопа уже можно открыть ВыК 10 и закрыть ВыК 4, разрежение в коллекторе 13 начнет втягивать поршень в цилиндр. ВыК 4 и ВыК 10 могут иметь перекрытие φ (см. Фиг.9), часть выхлопа может проходить через ВыК 10 перед ОГ. Ясно, что φ не может быть большим, иначе выхлоп из коллектора 11 будет интенсивно закачиваться в коллектор 13.
В области НМТ и отрезке углов 540°…540°+20° поршень практически не движется вверх, поэтому момент переключения клапанов ВыК 4 и ВыК 10, когда оба клапана практически закрыты, не приводит к повышению давления ОГ в цилиндре и возникновению противомомента.
Вакуумный насос 14 можно привести и выхлопной турбиной, установив ее приводную крыльчатку в коллекторе 11. В этом случае можно дополнительно увеличить кпд ДВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. А.С. СССР №889878, кл. F02B 29/00.
2. А.С. СССР №979669, кл. F02B 21/00.
3. Патент RU №2169276,кл. F02B 42/06.