СПОСОБ НАДДУВА В ЦИЛИНДР ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ICE CYLINDER SUPERCHARGING AND DEVICE TO THIS END

Группа изобретений относится к двигателестроению, в частности созданию двигателей внутреннего сгорания (в дальнейшем ДВС) для автомобилей, сельхозмашин, легкомоторной авиации и других машин, требующих автономного привода небольшого веса.
Общеизвестен способ наддува воздуха в цилиндр ДВС для увеличения его мощности, использующий постоянно работающий компрессор с приводом от вала отбора мощности двигателя. Основным недостатком этого способа является потребность расходования части энергии на привод компрессора, используемой для перевода тепловой энергии в механическую, что приводит к уменьшению общего КПД двигателя.
Известен двигатель по патенту России №2032820 (приоритет от 21.07.92 г.), содержащий оппозитно расположенные цилиндры, в которых расположены поршни, соединенные общим полым штоком, оснащенным двумя приливами, связанными шатунами с кривошипами вала отбора мощности, а открытие-закрытие впускных отверстий в полости цилиндра осуществляется за счет перемещения поршня относительно штока и гильзы цилиндра относительно головки, что позволяет существенно увеличить площадь проходных сечений впускных-выпускных клапанов двигателя и снизить боковые нагрузки в паре поршень-цилиндр за счет заключения штока в рольганги. При этом отпала необходимость в оснащении ДВС распредвалом и затрат энергии на его привод.
Однако кинематическая схема, примененная в вышеупомянутом ДВС, не устранила боковые нагрузки, присущие кривошипно-шатунным системам, а лишь перенесла их с поршней на рольганги, что является существенным недостатком. Кроме этого, в подпоршневом пространстве при работе перемещается значительная масса газа, приводящая к бесполезной затрате энергии, снижающей КПД.
Цель изобретений - устранение бесполезных затрат энергии на упомянутое перемещение газа и утилизация этой энергии для создания наддува газа в камеру сгорания, а за счет изменения конструктивного решения поршневой части штока, существенное увеличение площади проходного сечения впускной щели.
Эта достигается тем, что в соответствии с предлагаемым способом, используя увеличение внешнего диаметра штока до величины, равной диаметру поршня, сделанное в заявке №2011125545 от 23.06.11 г., в ДВС во время хода сжатия атмосферный воздух через воздухопровод засасывают в цилиндр предварительного сжатия подпоршневого пространства, выход обратно из которого в начале рабочего хода перекрывают до тех пор, пока не закончится рабочий ход, и как только давление в нем станет больше давления в камере предварительного сжатия, образованной внутри поршня, воздух перепускают в нее, а в начале хода выхлопа в цилиндр предварительного сжатия вновь засасывают вторую порцию атмосферного воздуха, в которую впрыскивают жидкое распыленное топливо в заданный момент после начала хода впуска, а полученную горючую смесь автоматически перепускают через камеру внутри поршня, как только давление в подпоршневом пространстве превысит давление в камере поршня, выход из которой открывают в начале хода впуска газа в камеру сгорания цилиндра ДВС, причем на выходе из камеры поршня обоим порциям воздуха, вместе с испарившимся в них жидким топливом, сообщают кроме скорости вдоль оси камеры сгорания дополнительную тангенциальную скорость, чем создают в камере сгорания пространственное вихревое течение, похожее на течение газа в вихревой трубе Ранка-Хилша с герметично закрытыми обоими выходами, но непрерывно увеличивающимся объемом полости, за счет перемещения донной части трубы, из которой истекает вихревой поток газа [1].
Осуществляется способ за счет того, что в ДВС с оппозитно расположенными цилиндрами и головками поршни, соединенные между собой полым штоком, на наружной поверхности центральной части которого образованы зигзагообразные канавки, связывающие шток через шарики с двумя коническими шестернями, на противоположной зубьям стороне которых образованы выступы, контактирующие через толкатели с механизмом отвода гильзы цилиндра в положение открытия выпускного клапана, сопряженные между собой третьей шестерней, передающей крутящий момент на вал отбора мощности, поршневые наконечники с силовым дном на обоих концах штока диаметром, равным диаметру поршня, жестко и герметично сочлененные с центральной частью воздухопровода, герметично соединенного с поперечным патрубком, размещенным внутри штока с коническим переходом на его внутренний диаметр, форкамер со сверхзвуковыми кольцевыми соплами, рубашек системы пульсирующего охлаждения, искровую систему зажигания, оснащенную бесконтактными датчиками магнитного типа и улиткообразными выпускными коллекторами, а конический переход поперечного патрубка воздухопровода оснащается полусферическим обратным клапаном, работающим на давление и разряжение, а поршневой наконечник штока жестко и герметично крепится к штоку, к которому герметично пристыкован корпус камеры, снабженный перфорацией около силового дна, с предусмотренным отверстием для прохода газа в камеру предварительного сжатия, оснащенным подпружиненным обратным клапаном с эластичным наконечником, опирающимся через пружину на дно цилиндра пневмодемпфера, смонтированного на стебле впускного клапана - дна поршня, выполненного за одно целое с запорным стаканом с полукруглым торцом, закрывающим выход из камеры предварительного сжатия при закрытом впускном клапане - дне поршня, причем герметичность обоих клапанов в закрытом положении обеспечивается подвижностью седла в осевом направлении, контактирующего с запорным стаканом, подпружиненного тарельчатой пружиной, а сообщение газу тангенциальной составляющей скорости, вытекающему через впускную щель, осуществляется вихреобразователем, смонтированным перед щелью.
На фиг.1 изображен двухцилиндровый модуль ДВС (продольный разрез М=1:2), верхний цилиндр в начале хода впуска, нижний - в начале выхлопа; на фиг.2 - продольный разрез поршневого наконечника М=1:1 (левая сторона:
конец хода впуска - все клапаны открыты, правая сторона: начало хода сжатия - все клапаны закрыты).
Двигатель внутреннего сгорания состоит из корпуса 1, изготовленного из легкого сплава, на боковых стенках которого образованы два соосных прилива 2 с отверстиями для прохода центральной части штока, оппозитно расположенных, оснащенных на внешней поверхности многозаходной, прямоугольной резьбой 3, гильз цилиндров 4, каждая из которых герметично подвешена коаксиально штоку внутри рубашек охлаждения на двух пружинных диафрагмах 5 с теплозащитным экраном 6 со стороны выпускной щели, герметично зажатых между корпусом 1 рубашками охлаждения 7, которые оснащены многозаходной, прямоугольной резьбой 8 на внутренней поверхности, двух конических шестерен 9, обращенных зубьями друг к другу, смонтированных во внутренних приливах 2 корпуса на подшипниках качения 10, в ступицах которых образованы гнезда полусферической формы для размещения в них шариков 11, кольцевых выступов 12 на стороне, противоположной зубьям конических шестерен 9, с которыми взаимодействуют ролики толкателей 13, контактирующие с механизмом 14 отвода гильзы цилиндра в положение открытия, сальниковых уплотнений 15, штока 16, соединяющего противоположные поршни, на внешней поверхности центральной части которого симметрично относительно отверстия для прохода впускного трубопровода образованы пара (или несколькими параллельными пар) идентичных, замкнутых, зигзагообразных, симметричных относительно плоскости нормальной оси штока канавок 17 полукруглого поперечного сечения, удвоенная амплитуда зигзагов которых равна ходу штока, корпуса поршневого наконечника 18, силового дна поршневого наконечника 19 с образованным в нем отверстием 20 для прохода газа в камеру предварительного сжатия, эластичного уплотнительного наконечника входного клапана 21, основания входного клапана 22, пружины входного клапана 23, подвижного дна поршня - тарелки впускного клапана 24 камеры сгорания, углубления 25 для грибка форкамеры, запорного стакана с полукруглым торцом 26 выпускного клапана камеры предварительного сжатия, стебля тарелки впускного клапана 28, пневмодемпфера впускного клапана 29, поршня 30, уплотнительных колец поршня 31, металлокерамического уплотнительного седла 32, корпуса камеры предварительного сжатия 33 с перфорацией 27 у основания, дна 34 полости пневмодемпфера впускного клапана, подвижного седла 35 выпускного клапана камеры предварительного сжатия, тарельчатой пружины 36 подвижного седла, вихреобразователя 37, двухканального впускного трубопровода 38, поперечного патрубка впускного трубопровода 39, полусферического обратного клапана 40 впускного трубопровода, уплотнения поперечного патрубка 41 по внутренней поверхности штока 16, цилиндра предварительного сжатия 42, головок цилиндров 43, крышек головок цилиндров 44, выпускных улиткообразных коллекторов 45, впускных трубопроводов рубашек охлаждения 46, впускных клапанов 47 рубашек охлаждения, форкамер 48, свечей зажигания 49, впускных клапанов 50 рубашек охлаждения головок цилиндров, комбинированной цилиндроконической шестерни 51, вала отбора мощности 52, постоянных магнитов 53 на штоке, гермоконтактов 54 системы зажигания на корпусе ДВС и силовых стяжек 55.
Двигатель работает следующим образом.
В конце такта сжатия в верхнем цилиндре (см. фиг.1) гермоконтакт 54 системы зажигания в заданный момент взаимодействует с магнитом 53 на штоке 16 и выдает сигнал электронной системе зажигания на подачу высокого напряжения на свечу 49 верхнего цилиндра, разряд которого на свече поджигает горючую смесь в форкамере 48 этого цилиндра, а циркуляционный сверхзвуковой поток, истекающий из кольцевого сопла форкамеры 48 вдоль конической поверхности дна поршня, воспламеняет горючую смесь в камере сгорания цилиндра кольцевым прямым скачком пламени от окружной границы углубления 25 в тарелке впускного клапана - дна поршневого наконечника штока до внутренней поверхности гильзы цилиндра, образуя равномерную эпюру давления на торцевой поверхности дна поршня от упомянутой границы к периферии, в это время клапан - дно 24 поршневого наконечника 18, взаимодействуя с металлокерамическим седлом 32 и силовым дном 19 поршневого наконечника, начинает перемещать шток 16 в сторону противоположного цилиндра, совершая рабочий ход за счет адиабатического расширения продуктов сгорания. Криволинейные канавки 17 на внешней поверхности средней части штока 16, контактируя через шарики 11 со ступицами конических шестерен 9, заставляют их вращаться в противоположные стороны, передавая крутящий момент с помощью сопрягающей комбинированной цилиндроконической шестерни 51 на вал отбора мощности 52. В это же время силовое дно 19 поршневого наконечника 18, приближаясь к поперечному патрубку 39 впускного трубопровода 38, коническая часть которого перекрыта полусферическим обратным клапаном 40 за счет повышения давления в цилиндре предварительного сжатия 42 при сжатии воздуха, засосанного во время предыдущего такта сжатия, подготавливает первую порцию воздуха к процессу перепуска в камеру предварительного сжатия 33, который начинается, как только давление в цилиндре предварительного сжатия 42 станет больше давления в камере предварительного сжатия 33. Входной клапан 22 открывается и камера предварительного сжатия 33 заполняется запасенной порцией воздуха до тех пор пока шток не достигнет нижней мертвой точки (Н.М.Т). В начале возвратного движения штока давление в цилиндре 42 резко падает и клапан 22 под действием пружины 23 и перепада давления между камерой 33 и полостью цилиндра 42 закрывается, исключая возврат воздуха в цилиндр 42. В этот момент клапан 40 под действием атмосферного давления и вакуума, образовавшегося около силового дна 19, открывается и в полость цилиндра 42 начинает засасываться вторая порция атмосферного воздуха. При этом в заданный момент по технологическому циклу кольцеобразные выступы заданной протяженности на конических шестернях 12 входят в контакт с роликами толкателей 13, которые, взаимодействуя с механизмом 14 отвода гильзы 4 в положение открытия, плавно перемещают гильзу в крайнее нижнее положение, начиная такт выхлопа. Во время перемещения гильзы 4 в нижнее положение многозаходная прямоугольная резьба 3 на ее внешней поверхности вытесняет охлаждающую жидкость из зазора между аналогичной резьбой 8 на внутренней поверхности рубашки охлаждения 7 в радиатор, а появившийся с противоположной стороны зазор между резьбами 3 и 8 заполняется охлажденной жидкостью из радиатора через обратный клапан 47 на входе в рубашку охлаждения. При начале возвратного движения штока толкатели 13, взаимодействуя с выступами 12, изменяющими свою высоту по заданному закону, плавно освобождают гильзу 4 от действия механизма отвода 14, и под действием диафрагменных пружин 5 она переходит в верхние положение - закрытия выпускного клапана камеры сгорания цилиндра ДВС. В это же время прямоугольная резьба 8 вытесняет через обратный клапан 50 горячую жидкость из головки цилиндра 43 в радиатор холодной жидкостью, запасенной в рубашке 7 во время отвода гильзы, а клапан 47 препятствует возвращению холодной жидкости в радиатор. Освобождающийся нижний зазор вновь заполняется жидкостью из радиатора. Силовое дно 19 при движении штока 16 в сторону верхней мертвой точки (В.М.Т.) освобождает цилиндр предварительного сжатия 42, который через клапан 40 заполняется атмосферным воздухом до тех пор, пока шток не достигнет В.М.Т. и начнет возвратное движение, сжимая силовым дном 19 поршневого наконечника 18 воздух, вошедший в цилиндр 42. Клапан 40 автоматически закрывается и давление в цилиндре 42 начинает расти до тех пор, пока не станет равным давлению в камере предварительного сжатия 33. В этот момент в цилиндр 42 впрыскивается жидкое распыленное топливо. Длина кольцевых выступов 12 на конических шестернях 9 выполняется таким образом, что полное закрытие выпускной щели цилиндра происходит после начала возвратного движения штока, т.е. после начала открытия впускного клапана 24. Задержка закрытия выпускного клапана позволяет за счет эжектирования сверхзвуковой струей, истекающей из впускной щели, полностью удалить из зазора между тарелкой впускного клапана 24 и головкой 43, а также из форкамеры 48, практически все остатки продуктов сгорания, обеспечив получение величины коэффициента заполнения цилиндра 4, достаточно близким к единице (у лучших современных ДВС он не превышает 0.7). Поскольку в начале впуска происходит истечение первой порции воздуха, запасенной в камере предварительного сжатия 33, в которой практически отсутствует топливо, то потери топлива на продувку минимальны.
Такт впуска начинается, когда шток 16 проходит В.М.Т. и начинает возвратное движение в сторону Н.М.Т. В этот момент тарелка впускного клапана 24, продолжая движение в прежнем направлении под действием силы инерции, открывает впускную щель и занимает положение, при котором грибок форкамеры 46 оказывается внутри углубления 25 в тарелке впускного клапана 24. Безударная остановка тарелки впускного клапана обеспечивается за счет противодействия пневмодемпфера 29. Заполнение цилиндра 4 начинается с момента закрытия выпускной щели, т.к. в этот момент тарелка 24 прекращает свое движение относительно штока 16 (впускная щель полностью открыта), а воздух, находившийся в камере предварительного сжатия 33, пройдя через вихреобразователь 37, создает в полости между наружной поверхностью тарелки 24 и головкой 43 пространственное вихревое течение, которое растягивается в осевом направлении по мере движения штока к Н.М.Т. [1]. Как только давление в цилиндре предварительного сжатия 42 станет больше давления в камере предварительного сжатия 33, входной клапан 22 камеры 33 открывается и горючая смесь из цилиндра 42 через камеру 33 и вихреобразователь 37 начинает поступать в цилиндр 4. Вихревое течение газа в цилиндре, начинающееся от стенки гильзы 4, интенсивно перемешивает обе порции газа в вихре, превращая их в однородную горючую смесь заданной концентрации, исключая образование жидкой фазы топлива на поверхности гильзы. Пониженное давление в центре вихря эжектирует воздух из форкамеры 48, вошедший в момент закрытия выпускного клапана гильзой 4, и перемешивает его с остальной частью смеси. Процесс перемешивания продолжается и после того, как шток 16, пройдя Н.М.Т., начнет обратное движение навстречу тарелке впускного клапана - дна поршня 24, которая по инерции продолжает движение навстречу штоку 16, пока полукруглый торец запорного стакана 26 не соприкоснется с поверхностью подвижного седла 35 выпускного клапана камеры 33. Безударная посадка тарелки 24 в металлокерамическое седло 32 обеспечивается противодействием тарельчатой пружины 36 и пневмодемпфера 39, что прекращает процесс впуска и начинает такт сжатия.
В начале такта сжатия все клапаны поршня закрыты. Вихревое движение горючей смеси в процессе сжатия продолжается [2], а повышение давления на внешней поверхности дна поршня - тарелки впускного клапана гарантирует его герметичность. В это же время в цилиндр предварительного сжатия засасывается очередная порция атмосферного воздуха, подготавливая следующий цикл работы данного цилиндра. В остальных цилиндрах тепловой процесс протекает аналогичным образом.
Увеличение мощности двигателя может быть достигнуто за счет добавления идентичных модулей с соответствующей корректировкой системы зажигания и подачи горючего, при обеспечении движения штоков каждой пары модулей в разные стороны. Для улучшения весовых характеристик двигателя с числом цилиндров более двух рационально корпус, рубашки охлаждения, головки цилиндров и вал отбора мощности выполнять общими, кроме этого, шестерни 51 также могут быть общими для каждой пары модулей. Остальные детали двигателя остаются унифицированными, что очень важно для массового производства.
Использование предлагаемого способа наддува в цилиндры ДВС и устройства для его осуществления, позволяет не всасывать, а нагнетать в цилиндр ДВС практически полуторный объем воздуха за счет утилизации остаточной энергии тактов, предшествующих такту впуска, которая бесполезно выбрасывается в выхлопной тракт современных ДВС. Отсутствие дополнительных затрат энергии на наддув априори существенно повысит К.П.Д. и мощность двигателя. Предварительный впрыск топлива в подпоршневое пространство, кроме обеспечения большой однородности горючей смеси, исключает засорение топливных форсунок продуктами сгорания, поскольку горение смеси в подпоршневом пространстве не происходит, а эффективная продувка камеры сгорания в конце хода выхлопа позволяет получить коэффициент заполнения цилиндра горючей смесью близкий к единице.
Проведенные оценки показывают, что автомобильный двигатель с рабочим объемом цилиндров порядка 1.5 л мощностью около 120-140 л.с. будет весить не более 50 кг и расходовать топливо в пределах 2.5-3.5 л/100 км.
Библиография
1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. Изд. «МАШИНОСТРОЕНИЕ», Москва, 1969 г. стр.25-27.
2. Лойцзянский Л.Г. Механика жидкости и газа. Изд. «НАУКА», Москва 1976 г. стр.66.