ЧЕТЫРЕХТАКТНЫЙ ДВС С ПРОДОЛЖЕННЫМ РАСШИРЕНИЕМ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области двигателестроения, а именно, поршневых двигателей внутреннего сгорания (далее - ДВС) с продолженным расширением продуктов сгорания.
В настоящее время всем мире в двигателестроении все острее встает проблема экономии топлива, повышения коэффициента полезного действия (КПД) ДВС, снижение токсичности выхлопных газов.
Одним из направлений, позволяющих решать вышеуказанные проблемы в двигателестроении, являются ДВС с продолженным расширением продуктов сгорания.
Известен ДВС (1) с продолженным расширением продуктов сгорания, имеющий два расширительных цилиндра разного размера, в первом из которых осуществляется впуск и сжатие, а во втором - рабочий ход (расширение) и выпуск, и управляющий золотник с вращающейся камерой сгорания.
Недостатками данного ДВС являются:
- существенное усложнение конструкции, и, стало быть, существенное удорожание по сравнению с обычными;
- ограничение живучести вследствие размещения камеры сгорания во вращающемся золотнике;
- невозможность реализации данной схемы ДВС путем модернизации выпускаемых классических ДВС.
Известен ДВС (2) с продолженным расширением продуктов сгорания, имеющий два рабочих и один расширительный цилиндры.
Недостатками данного ДВС являются:
- усложнение конструкции, и, стало быть, существенное удорожание по сравнению с обычными;
- снижение показателей экономии топлива и токсичности в связи с организацией полной продувки рабочего цилиндра при продолженном расширении;
- невозможность реализации данной схемы ДВС путем модернизации выпускаемых классических ДВС.
Известен ДВС (3), с продолженным расширением продуктов сгорания, имеющий два рабочих и один расширительный цилиндры.
Недостатками данного ДВС являются:
- усложнение конструкции, и, стало быть, существенное удорожание по сравнению с обычными;
- снижение эффективности продолженного расширения в связи с организацией полной продувки рабочего цилиндра при продолженном расширении;
- невозможность реализации данной схемы ДВС путем модернизации выпускаемых классических ДВС.
Вышеуказанный ДВС (3) взят автором в качестве прототипа разработанному, как наиболее близкий по технической сути и достигаемому техническому эффекту.
Задачей, которую решал автор разрабатывая данный ДВС являлось возможность реализации схемы с продолженным расширением на базе выпускаемых промышленностью четырехтактных ДВС, работающих на бензиновом и дизельном топливе, с одновременным улучшением показателей по КПД, расходу топлива и улучшению показателей по токсичности выхлопных газов.
Эта задача решена в предложенном четырехтактном ДВС с продолженным расширением, содержащим блок из четырех идентичных цилиндров с клапанами "впуска" и "выпуска и попарно синхронным, но противофазным движением поршней относительно коленчатого вала, два из которых, например, крайние - рабочие, со смещением между циклами на два такта, а два средних цилиндра - для продолженного расширения продуктов сгорания, поочередно перепускаемых из рабочих цилиндров в тактах "выпуск", с двутактным циклом работы, где первый такт - расширение продуктов сгорания и частичный их сброс в атмосферу в конце такта, и второй такт - поджатия оставшейся части расширившихся продуктов сгорания, что обеспечено за счет газового канала, соединяющего полости расширительных цилиндров, соединением их впускных клапанов газовой магисталью с выпускным клапаном соответствующего рабочего цилиндра, и выполнением кулачков привода выпускных клапанов, обеспечивающих дозированное открытие последних в конце тактов "расширения" для сброса части газов в атмосферу, и закрытие их в последующих тактах поджатия.
Новыми существенными признаками предложенной конструкции ДВС с продолженным расширением являются:
- выполнение расширительной части блока цилиндров в виде двух, идентичных рабочим, синхронно работающих, но смещенных по фазе от рабочих на 180° цилиндров;
- соединение расширительных цилиндров между собой газовым патрубком;
- подсоединение впускных клапанов расширительных цилиндров к выпускным клапанам рабочих цилиндров газовыми каналами;
- управление впускными клапанами расширительных цилиндров по обычной схеме четырехцилиндрового ДВС:
- управление выпускными клапанами с возможностью дозированного открытия в конце расширения для сброса части газов в атмосферу.
По мнению автора вышеуказанные новые признаки известны в технике двигателестроения, но в сочетании с остальными образуют совокупность, которая позволила обеспечить достижение нового технического эффекта - возможность реализации схемы с продолженным расширением на базе выпускаемых промышленностью четырехтактных ДВС, работающих на бензиновом и дизельном топливе, с одновременным улучшением показателей
по КПД, расходу топлива и улучшению показателей по токсичности, поэтому позволяет считать их существенными.
На фиг.1-4 представлена схема предложенного ДВС и его работа по тактам, где:
На фиг.1 схематично представлен предложенный ДВС и положение деталей и узлов его в начале такта «выпуск» в 1 цилиндре;
На фиг.2 представлено положение деталей и узлов ДВС в начале такта «впуск» в 1 цилиндре;
На фиг.3 представлено положение деталей и узлов ДВС в начале такта «сжатие» в 1 цилиндре;
На фиг.4 представлено положение деталей и узлов ДВС в начале такта «рабочий ход» в 1 цилиндре.
Предлагаемый четырехтактный ДВС с продолженным расширением продуктов сгорания содержит, как и в обычном ДВС четыре идентичных цилиндра 1-4 с поршнями 5-8, кинематически соединенными с коленчатым валом 9.
ДВС выполнен, с синхронным движением, например, двух средних 2, 3 и двух крайних 1, 4 поршней по отношению к коленчатому валу 9.
Крайние цилиндры 1, 4 - рабочие, реализующие при работе классический четырехтактный цикл, но сдвинуты между собой на два тата, средние цилиндры 2, 3 - расширительные цилиндры для продолженного расширения продуктов сгорания (далее - газов) из рабочих цилиндров 1, 4 и работают в два такта впуск-выпуск.
В головке цилиндров (на схеме условно - верхние линии цилиндров) предлагаемого ДВС, также как и в обычном ДВС, установлены 8 клапанов, по два клапана для обслуживания каждого цилиндра: 10, 11 - для 1 цилиндра, 12-13 - для 2 цилиндра, 14-15 для третьего, 16-17 - для 4 цилиндра.
При этом, клапаны 10, 16 - впускные клапаны рабочих цилиндров 1, 4 для топливной смеси, клапаны 11, 17 - перепускные, для продолженного расширения газов в средних цилиндрах 2, 3.
Клапаны 12, 14 - впускные клапаны расширительных цилиндров 2, 3.
Клапаны 13, 15 - выпускные клапаны расширительных цилиндров 2, 3.
Для осуществления вышеуказанных функций клапаны 10, 16 подсоединены к магистрали 18 подачи топливо-воздушной смеси (далее ТВС).
Клапаны 11, 17 соединены перепускными каналами 19, 20 с клапанами 12, 14.
Клапаны 13, 15 подсоединены к магистрали 21 выпуска газов в атмосферу.
Кроме вышеуказанных, камеры сгорания 22, 23 расширительных цилиндров 2, 3 (в рабочих цилиндрах 1, 4-24, 25 соответственно), соединены между собой каналом, который может быть реализован в виде патрубка 26, соединяющего, например, резьбовые отверстия 27, 28 под свечи зажигания в головке цилиндров (на схеме не показаны).
Работа предложенного четырехцилиндрового ДВС с продолженным расширением газов производится следующим образом.
Пусть, например, (фиг.1, 2) в рабочем цилиндре 1 происходит такт «выпуск» газов. Поршень 5 движется от нижней мертвой точки (далее - НМТ) к верхней мертвой точке (далее - ВМТ).
(Перепуск газов из 1 рабочего цилиндра в расширительные цилиндры 2, 3 для повторного расширения, расширение перепущенных газов и последующий сброс части расширившихся газов в атмосферу).
В начале такта клапаны 10, 13, 15 закрыты, клапан 11 открыт и газы через него и перепускной канал 19 открытый клапан 12 поступают сначала в цилиндр 2, а затем через патрубок 26 - в цилиндр 3, в которых находится под давлением порция сжатого газа от предыдущего цикла.
Под давлением газов при расширении поршни 6 и 7 начинают перемещаться вниз.
В это же время в цилиндре 4 производится такт «сжатие» ТВС. Клапаны 16, 17 закрыты.
В конце данного такта клапан 15 открывается (в 3 цилиндре обычного ДВС такт «выпуск»), и часть расширившихся газов из цилиндров 1, 2, 3 под собственным давлением выбрасывается в атмосферу. Затем клапан 15 закрывается
Такт «впуск» в рабочем цилиндре 1 (движение поршня 5 от ВМТ к НМТ). Фиг.2, 3.
(Сгорание ТВС в 4 рабочем цилиндре, сжатие оставшейся части газов в расширительных цилиндрах 2, 3).
В начале такта впускной клапан 10 открывается, а клапаны 11, 12, 13, 15 закрываются, происходит впуск ТВС в рабочий цилиндр 1 и поджатие оставшейся части газов в цилиндрах 2, 3. В это время в цилиндре 4 начинается такт рабочий ход. Клапаны 16, 17 закрыты.
В конце такта открываются клапаны 14, 17.
Такт «сжатие» в рабочем цилиндре 1 (Движение поршня 5 от НМТ к ВМТ). Фиг.3-4.
(Перепуск газа из рабочего цилиндра 4 в расширительные цилиндры 2, 3. расширение перепущенных газов и последующий сброс части расширившихся газов в атмосферу).
В начале такта клапаны 14, 17 открыты и газы из цилиндра 4 через открытый клапан 17, перепускной канал 20 и открытый клапан 14 наполняют сначала полость цилиндра 3, а затем через патрубок 26 и полость цилиндра 2, в которых находится под давлением порция сжатого газа от предыдущего цикла.
При этом давление расширяющихся газов воздействует на поршни 6 и 7 и они перемещаются вниз, передавая это усилие на коленчатый вал 9.
В конце данного такта в 1 цилиндре сжатая ТВС готова к воспламенению, клапаны 10, 11 закрыты.
Также в конце данного такта открывается клапан 13 (во 2 цилиндре обычного ДВС такт «выпуск»), и часть расширившихся газов из цилиндров 1, 2, 3 под собственным давлением выбрасывается в атмосферу. Затем клапан 13 закрывается.
Такт «рабочий ход» в цилиндре 1 (движение поршня 5 от ВМТ до НМТ)). Фиг.4, 1.
(сгорание ТВС в 1 рабочем цилиндре 1, поджатие оставшейся части расширившихся газов во 2, 3 цилиндрах).
В начале такта клапаны 10, 11, 12, 13, 14, 17 закрыты.
Производится воспламенение ТВС в рабочем цилиндре 1. Через открытый клапан 16 в цилиндр 4 (такт «впуск») поступает ТВС из магистрали 18.
Газы от сгорающей ТВС в 1 цилиндре воздействуют на поршень 5 и последний передает усилие на коленчатый вал 9.
В конце такта открываются клапаны 11, 12.
Далее цикл повторяется.
Предложенная конструкция четырехтактного ДВС с продолженным расширениям может быть реализована автолюбителями путем покупки в автомагазине набора, включающего новый модернизированный газораспределительный вал и газовую арматуру,
Модернизированная конструкция ДВС позволит получить 10-15% экономию топлива при эксплуатации, а также снизить токсичность выхлопных газов до европейского уровня на глушителях, которыми комплектовали отечественные автомобили ВАЗ последние 10 лет.
Ориентировочные затраты на модернизацию (50-75 тыс. руб.), окупятся в первый же год эксплуатации автомобиля.
В настоящее время автором проводится работа по оптимизации технических параметров конструкции и изготовлению опытного образца.
Литература.
1. А.С. СССР №828780 от 05.03.1979 г. МПК: F02B, 41/02; F02B, 75/00. ДВС.
2. А.С. СССР №1470987 от 26.05.1986 г. МПК: F02В, 41/06. Способ работы ДВС и ДВС.
3.Патент РФ №2169276 от 02.11.1998 г. МПК: F02B, 41/06. ДВС. (прототип).