Двигатель внутреннего сгорания и способ управления им
INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND CONTROL METHOD THEREOF

Изобретение относится к двигателестроению и может быть применено при производстве и эксплуатации двигателей для транспортных средств.
Известен двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2278985 от 24.09.2004 г., МКИ7 F02B 19/10, 33/22. Двигатель имеет рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания и камеру сгорания, которые соединены с нагнетателем топливовоздушной смеси, выполненным в виде компрессорного цилиндра с поршнем. Каналы подачи топлива и воздуха расположены вверху компрессорного цилиндра выше верхней мертвой точки его поршня и снабжены обратными клапанами. Каналы подачи топливовоздушной смеси в камеру сгорания и в форкамеру выполнены в виде трубки, разделенной вдоль ее оси перегородкой, или в виде двух трубок, установленных параллельно друг другу, расположены в полости с охлаждающей жидкостью и снабжены нагревателем. В зоне расположения этих каналов установлен датчик температуры, соединенный с блоком питания нагревателя. Канал подачи топливо-воздушной смеси в форкамеру снабжен регулировочным механизмом с приводом, связанным с датчиком числа оборотов коленчатого вала двигателя или с устройством для подачи топлива. Камера сгорания имеет цилиндрическую форму. Проекции осей участков каналов подачи топливо-воздушной смеси, входящих в камеру сгорания и в форкамеру, на плоскость продольного сечения рабочего цилиндра перпендикулярны его оси. Такая конструкция обеспечивает повышение стабильности работы двигателя и увеличение его мощности, а также уменьшение расхода топлива вследствие гомогенизации топливовоздушной смеси.
Однако эксперименты по отработке известного двигателя показали, что струя топливовоздушной смеси при входе в форкамеру и в камеру сгорания прижимается к стенкам камер и, завихряясь, образует в средней части этих камер застойную зону, не участвующую в процессе смесеобразования, что приводит к неоднородности смеси по ее качеству. В пристеночных областях камеры сгорания образуется богатая смесь, а в центре камеры сгорания смесь будет бедной. Кроме того, при сжатии топливо-воздушной смеси в компрессорном цилиндре давление может превышать величину давления, на которое рассчитано устройство для подачи топлива (например, форсунка). Это может привести к прекращению подачи топлива, что вызовет потерю мощности и нестабильность работы двигателя. Применение форсунок и насосов высокого давления существенно увеличит стоимость двигателя. Впрыск топлива по прототипу производлится после начала движения компрессорного поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, при этом газификация топлива происходит во время движения поршня на 180° вниз и на 180° вверх. Времени этого движения может оказаться недостаточно для полной газификации топлива, что также нарушит стабильность работы двигателя, повысит непроизводительный расход топлива и увеличит загрязнение окружающей среды.
Известен также двигатель внутреннего сгорания, защищенный патентом РФ №2348819, МКИ F02B 19/10, который принят за прототип. Двигатель по прототипу содержит рабочий цилиндр с рабочим поршнем, форкамеру со свечой зажигания, камеру сгорания, имеющую цилиндрическую или коническую форму и каналы подачи топливовоздушной смеси (ТВС) в камеру сгорания, нагнетатель ТВС, выполненный в виде компрессорного цилиндра с поршнем и снабженный одним или несколькими устройствами для подачи топлива. Между каналом подачи топлива и компрессорным цилиндром установлен обратный клапан. Форкамера выполнена в форме полусферы или усеченного конуса. Вокруг камеры сгорания расположен кольцевой канал, соединенный с одной или несколькими парами каналов подачи ТВС в камеру сгорания. Оси этих каналов направлены попарно навстречу друг другу. Угол между осями этих каналов и осью камеры сгорания выбран в интервале между точкой пересечения этих каналов на центральном электроде свечи зажигания и точкой пересечения оси камеры сгорания с днищем рабочего цилиндра при его положении в верхней мертвой точке.
Конструкция двигателя по прототипу обеспечивает более равномерное распределение ТВС в объеме форкамеры и камеры сгорания. Повышается качество подготовки ТВС, уменьшается токсичность отработавших газов и увеличивается мощность двигателя.
Однако оказалось, что при работе двигателя по прототипу на мощностном режиме увеличение подачи топлива приводит к переобогащению ТВС в районе электрода свечи зажигания. Это ухудшает стабильность работы двигателя на мощностном режиме. Если же при этом подавать дополнительное топливо в полость рабочего цилиндра, то вследствие того, что при этом будут открыты выпускные окна, часть заряда топлива будет выбрасываться в атмосферу, что снизит КПД двигателя, приводя к увеличению расхода топлива, и понизит стабильность его работы.
Технический результат предлагаемого двигателя и способа управления им: повышение стабильности работы двигателя.
Этот результат достигается тем, что двигатель внутреннего сгорания содержит рабочий цилиндр с рабочим' поршнем, кинематически связанный с ним компрессорный поршень с компрессорным цилиндром и камеру сгорания со свечой зажигания. Вокруг камеры сгорания выполнен кольцевой канал, связанный с ней малыми каналами. Кольцевой канал соединен с каналом подачи ТВС из компрессорного цилиндра. В отличие от прототипа вокруг камеры сгорания под первым кольцевым каналом выполнен второй кольцевой канал, соединенный с рабочим цилиндром двумя или более каналами, которые расположены равномерно по окружности второго кольцевого канала. Оси этих каналов наклонены в сторону оси рабочего цилиндра. Второй кольцевой канал соединен с компрессорным цилиндром дополнительным каналом, который снабжен клапаном с управляемым приводом и лепестковым обратным клапаном.
При мощностном режиме работы, одновременно с подачей ТВС в камеру сгорания, клапан с управляемым приводом открывают и через дополнительный канал, второй кольцевой канал и каналы, соединяющие его с рабочим цилиндром, подают ТВС в рабочий цилиндр из компрессорного цилиндра. Продолжительность подачи ТВС в рабочий цилиндр в течение цикла работы двигателя регулируют, а в режиме холостого хода и малых нагрузок подачу ТВС в рабочий цилиндр прекращают.
Предлагаемый двигатель и способ управления им обеспечивают подачу дополнительной ТВС при мощностном режиме работы непосредственно в рабочий цилиндр, но небольшими порциями и в верхнюю часть цилиндра. В объеме рабочего цилиндра это - бедная смесь. Ситуация в районе электрода свечи зажигания при этом не меняется. Поэтому стабильность работы двигателя при увеличении его мощности не меняется.
Предлагаемый двигатель внутреннего сгорания и способ управления им иллюстрируются чертежом, где показана общая схема конструкции двигателя по прототипу с добавленными признаками предлагаемой конструкции двигателя.
Предлагаемый двигатель работает, а способ управления им осуществляется следующим образом. Так же, как и в прототипе, шток 3 рабочего поршня 2 кинематически связан со штоком 22 компрессорного поршня 15. По прототипу компрессорный поршень 15 опережает движение рабочего поршня 2 на 90°. Впрыск ТВС в камеру сгорания 5 осуществляется при положении рабочего поршня 2 в рабочем цилиндре 1 выше впускного окна 25 и выпускного окна 32. В режиме холостого хода и малых нагрузок, так же, как и в двигателе по прототипу, топливо может поступать в полость 8 компрессорного цилиндра 12 от устройств 11 или 21 для подачи топлива через каналы подачи воздуха 10 и 14 и через канал 13 через лепестковые клапаны 24. При движении поршня 15 компрессорного цилиндра 12 вверх, в полости 8 растет давление и увеличивается температура смеси топлива с воздухом - происходит гомогенизация ТВС. При достижении давления, заданного пружиной 16, расположенной в головке 23 компрессорного цилиндра 12, клапан отсечки 17 откроется и через канал 20 и лепестковый клапан 19 ТВС попадает в кольцевой канал 18, расположенный вокруг камеры сгорания 5 и форкамеры 6 в головке 4 рабочего цилиндра 1. Через радиальные каналы 9 ТВС поступает в камеру сгорания 5 и форкамеру 6. При возбуждении искры на электроде свечи зажигания 7 ТВС воспламеняется - происходит рабочий ход рабочего поршня 2.
При мощностном режиме работы двигателя требуется увеличение количества ТВС. Чтобы устранить возможность расслоения заряда ТВС, чрезмерного ее обогащения в камере сгорания 5 и ухудшения стабильности работы двигателя, по предлагаемому варианту двигателя в отличие от прототипа дополнительную порцию ТВС подают в рабочий цилиндр 1. Поскольку ТВС впрыскивается в камеру сгорания 5 и в рабочий цилиндр 1 одновременно при положении рабочего поршня 2, при котором рабочий поршень 2 полностью перекрывает впускное окно 25 и выпускное окно 32, то дополнительная порция ТВС, вводимая в рабочий цилиндр 1 распределится в нем, образуя бедную смесь. Для этого вокруг камеры сгорания 5 выполнен второй кольцевой канал 26, который соединен с рабочим цилиндром 1 двумя или более каналами 27, расположенными равномерно по окружности кольцевого канала 26. Оси каналов 27 наклонены в сторону оси рабочего цилиндра 1. Кольцевой канал 26 соединен через лепестковый клапан 29, регулировочный клапан 30 с управляемым приводом 31 и через дополнительный канал 28 с полостью 8 компрессорного цилиндра 12.
Дополнительный кольцевой канал 26, равномерное расположение каналов 27 по его окружности и наклон каналов 27 в сторону оси рабочего цилиндра 1 необходимы для того, чтобы ТВС, подаваемая в рабочий цилиндр 1 распределялась равномерно в рабочем цилиндре 1 образуя бедную смесь. Количество ТВС, подаваемое в рабочий цилиндр 1 регулируют, управляя продолжительностью ее подачи с помощью клапана 30 с регулируемым приводом 31. Лепестковый клапан 29 устраняет возможность обратного перемещения ТВС в случае, если давление в рабочем цилиндре 1 при сжатии превысит давление в полости 8 компрессорного цилиндра 12. При переходе на режим холостого хода или малых нагрузок подачу ТВС в рабочий цилиндр 1 прекращают, выключая привод 31 клапана 30. В качестве клапана 30 с управляемым приводом 31 может быть применен электромагнитный клапан любой известной конструкции.
Таким образом, предлагаемый вариант конструкции двигателя и способ управления им обеспечивают технический результат, заключающийся в повышении стабильности работы двигателя. Предлагаемый двигатель может быть изготовлен с помощью известных в технике и применяемых в двигателестроении оборудования, технологий и материалов. Следовательно, предлагаемый двигатель и способ управления им обладают промышленной применимостью.