ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND METHOD OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OPERATION

Изобретение относится к области двигателестроения, конкретно касается механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания.
Известен двигатель внутреннего сгорания, например, по АС СССР №544759, МПК 2 E02B 27/00, содержащий систему газораспределения для двигателя внутреннего сгорания, например выпускную. Эта система содержит основной трубопровод и подвижно установленный на нем насадок, при этом с целью повышения эффективности использования волновых эффектов, на трубопроводе и насадке выполнены окна и, по крайней мере, одна из сторон окна на трубопроводе ориентирована под углом к стороне насадка для измерения при относительном повороте положения совмещаемых частей окон. При этом основная часть механизма газообразования остается сложной и содержит клапана, пружины, толкатели и распределительный вал, кинематически связанный с коленвалом.
Известен двигатель внутреннего сгорания по АС СССР №1236128, МПК F02B 27/00. Этот двигатель содержит систему резонансного наддува, содержащую впускной трубопровод с двумя диаметрально противоположными продольными окнами, подсоединенными к цилиндрам с несовпадающими фазами впуска, и подвижный насадок, установленный на впускном трубопроводе и выполненный с двумя диаметрально противоположными отражательными окнами, первая сторона которых ориентирована под углом к стороне соответствующего продольного окна, а в месте наложения отражательных окон на продольные выполнено проходное отверстие, при этом с целью улучшения амплитудно-фазовых параметров колебаний давления и снижения насосных потерь, подвижный насадок выполнен с двумя дополнительными отражательными окнами, причем вторая сторона основных отражательных окон выполнена параллельно первой стороне, дополнительные отражательные окна совпадают по форме с основными отражательными окнами, а отношение суммарной площади сечений проходных отверстий к площади сечения впускного трубопровода равно 2…2,5.
Недостатки такие же, что и у предыдущего аналога.
Известен также двигатель внутреннего сгорания по патенту РФ №2008457, МКП5 F02 27/00, который содержит выпускную систему, которая содержит выпускной трубопровод, подвижно установленный на трубопроводе насадок, причем выпускной трубопровод и насадок снабжены соответственно продольной и наклонной прорезями. В выпускном трубопроводе установлен поршень с возможностью осевого перемещения, причем в днище поршня выполнено углубление в виде конуса.
В качестве прототипа принят двигатель внутреннего сгорания классической схемы, применяемый для автомобилей ВА3-2101, ВА3-2103 и т.п., описанный в книге Д.В. Кожейкина «Как самому починить автомобиль», «Фрегат», Челябинск, 1992, с.8. Этот двигатель содержит коленвал, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси и систему выхлопа продуктов сгорания, по крайней мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем.
Недостатки прототипа: конструктивная сложность и низкая надежность газораспределительного механизма, содержащего большое количество деталей, в том числе распредвал, клапана, пружины, уплотнения клапанов, систему регулирования зазоров в клапанах. Это усложняет регулировку механизма газораспределения, приводит к износу деталей механизма. Износ штоков клапанов и их уплотнений, например, приводит к нарушению газораспределения, попаданию масла в камеру сгорания двигателя и дымному выхлопу при его сгорании и, как последствие, к ухудшению экологии окружающей среды.
Задачи создания изобретения повышение КПД и его надежности.
Решение указанных задач достигнуто в двигателе внутреннего сгорания, содержащем коленчатый вал, систему газораспределения, выполненную в головке цилиндров, систему впуска топливовоздушной смеси, систему выхлопа продуктов сгорания и, по меньшей мере, один цилиндр с установленным в нем поршнем и свечей зажигания установленных на каждом торце цилиндра, тем, что согласно изобретению каждая свеча зажигания выполнена лазерной, в систему зажигания может быть включен по меньшей мере один блок накачки, соединенный оптическим волокном с каждой свечей зажигания. Двигатель может содержать блок управления, соединенный электрической связью с блоком накачки. Двигатель может содержать датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик числа оборотов коленчатого вала, датчик угла поворота коленчатого вала и датчик угла поворота распределительного вала, соединенные электрической связью с блоком управления.
Решение указанных задач достигнуто в способе работы двигателя внутреннего сгорания, содержащего по меньшей сере один цилиндр с поршнем и свечи зажигания, включающий фазы впуска, сжатия, выхлопа и продувки, подачу топлива в фазе впуска, подачу импульса энергии на свечи зажигания в каждом цилиндре в момент захождения поршня ниже ВМТ, что определяется углом опережения зажигания, тем, что согласно изобретению импульсы энергии на каждую свечу зажигания продолжают подавать и после воспламенения топлива в камере соответствующего цилиндра. Импульсы энергии продолжают подавать на каждую свечу лазерного зажигания до завершения фазы выхлопа в соответствующем цилиндре. В каждом цилиндре могут быть установлены свечи лазерного зажигания.
Сущность изобретения поясняется на чертежах Фиг.1…4, где:
на фиг.1 приведен вид сверху,
на фиг.2 приведен вид сбоку,
на фиг.3 приведен продольный разрез двигателя внутреннего сгорания по А-А,
на фиг.4 приведена циклограмма работы цилиндра двигателя.
Двигатель внутреннего сгорания (в дальнейшем - двигатель) содержит (Фиг.1…4) по меньше, мере один цилиндр 1 и установленный в нем поршень 2.
В дальнейшем приведен двухцилиндровый двигатель. Каждый поршень имеет компрессионные и маслосъемные кольца 3 и 4 соответственно. Цилиндры 1 выполнены заодно с корпусом 5, имеющим поддон 6 для масла 7. Над цилиндрами 1 установлена головка цилиндров 8, между ними установлена прокладка 9.
Двигатель имеет коленчатый вал 10, систему газораспределения 11, выполненную в головке цилиндров 8.
Изобретение распространяет свои права и на одноцилиндровый двигатель, а также на двигатели с любым числом цилиндров и с любым их расположением, например, с V-образным расположением цилиндров.
Система газораспределения 11 содержит систему впуска топливовоздушной смеси 12, систему выпуска выхлопных газов 13 и распределительный вал 14 с кулачками 15. Кроме того, в систему впуска топливовоздушной смеси 12 входят впускные клапаны 16, а в систему выпуска выхлопных газов - выпускные клапаны 17. Распределительный вал 14 установлен на подшипниках 18. Между стенками цилиндров 1 и верхним торцами поршней 2 образуются камеры сгорания 19
Поршни 2 связаны с коленчатым валом 10 шатунами 20, в которых установлены пальцы 21. Шатуны 20 имеют шатунные подшипники 22. Коленчатый вал 10 установлен на коренных подшипниках 23 и уплотнен уплотнениями 24. Внутри коленчатого вала 10 выполнены маслоканалы 25.
В систему газораспределения 11 входят ведущая и ведомая звездочка, соответственно 26 и 27, соединенные цепью (или ремнем) 28. Распределительный вал 14 имеет систему смазки 29.
Диаметр ведомой звездочки 27 в 2 раза больше диаметра ведущей шестерни 26. За два оборота коленчатого вала 10 распределительный вал 14 совершает один оборот.
Кроме того, двигатель оборудован системой зажигания, которая содержит свечи зажигания 30 по числу цилиндров, соединенные оптическим волокном 31 с блоком накачки 32. Свечи зажигания 30 следует выполнить лазерными. Они при потреблении меньшей мощности и дают кратковременные разряды огромной мощности (десятки кВт). Для этого свечи зажигания 30 соединены оптическим волокном 31 с блоком накачки 32. Двигатель может быть оборудован блоком управления 33, который электрической связью 34 соединен с блоком накачки 32.
Между цилиндрами 1 и между корпусом 5 и цилиндрами 1 выполнена полость 35 для охлаждения цилиндров 1. Свечи зажигания 30 могут иметь оребрение 36.
Кроме того, двигатель может быть оборудован датчиком частоты вращения 37, датчиком числа оборотов 39, датчиком углового положения коленчатого вала 39, соединенными электрическими связями 34 с блоком управления 33 датчиком углового положения 40 распределительного вала 14..
Система охлаждения двигателя содержит отводящий трубопровод 41, насос 42, промежуточный трубопровод 43, радиатор 44 и подводящий трубопровод 45.
Циклограмма работы двигателя показана на фиг.4. Линией 46 показаны импульсы энергии свечи лазерного зажигания 30. Видно, что первый импульс подается в фазе сжатия до ее завершения, а потом периодически подаются импульсы во время фазы расширения и возможно до ее завершения.
Способ работы двигателя внутреннего сгорания может быть реализован на свечах электрического зажигания, но в этом случае аппаратура питания этих свечей будет сложной, дорогостоящей и потреблять много электроэнергии.
Применение систем лазерного зажигания, например, на микрочип-лазере позволит кратковременно развивать мощность разряда в десятки кВт при малом потреблении энергии, так как в них можно реализовать длительность импульса энергии в несколько нсек.
Работает двигатель следующим образом.
Топливовоздушная смесь подается по системе впуска топливовоздушной смеси 12 (Фиг.3) через впускные клапаны 16. При этом первый поршень 2 находится в верхней мертвой точке ВМТ и начинает движение вниз, работая в режиме впуска топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь поступает в рабочую полость 19 первого цилиндра 1. Система выхлопа 13 первого цилиндра 1 в это время закрыта. В это же время для второго цилиндра 1 впускной клапан (клапана) 16 закрыт. Продукты сгорания из второго цилиндра 1 поступают в систему выхлопа 13 После того как коленчатый вал 10 совершит пол-оборота, произойдет сжатие топливовоздушной смеси в камере 19 и блок управления 33 по электрической связи 31 подаст сигнал на блок накачки 32, в котором формируется лазерное излучение, которое по оптическому волокну 31 подает на свечу 30 первую серию импульсов для воспламенения топливовоздушной смеси. В дальнейшем до завершения цикла расширения в камере 19 первого цилиндра 1 периодически подаются импульсы на свечу 30 (фиг.4).
Датчики частоты вращения 37, числа оборотов коленчатого вала 38 контролируют частоту вращения коленчатого вала 10 и число оборотов для установления того, четное или нечетное число оборотов совершил коленчатый вал 10, а датчик углового положения 38 постоянно измеряет угловое положение коленчатого вала 10 и в зависимости от этих показателей блок управления 33 подает команды на блок накачки 32 для подачи импульса на свечи 30 (лазерного воспламенения). Это позволит четко подавать импульсы на свечи зажигания 30 начиная с угла опережения зажигания (до ВМТ) и до полного завершения цикла расширения.
Наличие датчика углового положения 40 распределительного вала 14 позволит более точно корректировать работу системы зажигания при вытяжке цепи 28 или ее проскакивании на 1…2 зуба ведомой звездочки 27.
Применение изобретения позволило:
1. Повысить КПД двигателя на 15…20% за счет более полного сжигания топлива воздействием лазерного луча.
2. Уменьшить затраты энергии, потребляемой системой зажигания, особенно при применении свеч лазерного зажигания.
3. Обеспечить полную автоматизацию процесса впуска, выпуска и воспламенения топлива в камерах цилиндров блоком управления и корректировать зажигания в зависимости от режима работы двигателя за счет применения датчиков частоты вращения и углового положения.