ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению и может быть использована в создании новых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Известен двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один компрессорный цилиндр и один рабочий цилиндр, поршни, камеру сгорания, дополнительную камеру сгорания с топливной форсункой и форсункой для впрыска воды в обе камеры сгорания (см. авторское свидетельство SU №1314137, кл. F02M 25/02, 30.05.1987).
Недостатком данного двигателя является неполное сгорание топлива из-за размещения форсунок и подачи воды в обе камеры сгорания, что не позволяет увеличить коэффициент полезного действия двигателя.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий четное число цилиндров кратное четырем, разбитых на блоки по четыре цилиндра, в каждом из которых два рабочих цилиндра и два компрессорных цилиндра, и ресивер, причем все блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом (см. патент RU №2327885, кл. F02B 33/22, 27.06.2008).
Данный двигатель позволяет снизить удельный расход топлива, снизить токсичность отработанных газов и расширить диапазон регулирования мощности двигателя. Однако конструкция двигателя не позволяет в полной мере использовать энергию продуктов сгорания для преобразования ее в механическую энергию вращения коленчатого вала.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является оптимизация режима работы поршней в рабочем и компрессорном цилиндрах.
Технический результат заключается в уменьшении расхода топлива и снижении загрязнения окружающей среды, особенно при работе двигателя на пониженной мощности и при работе высокооборотных двигателей.
Указанная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит четное число цилиндров кратное двум, разбитых на блоки по два цилиндра, в каждом из которых один рабочий цилиндр и один компрессорный цилиндр, а также ресивер, причем все блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом. Ресивер сообщен со всеми цилиндрами блоков посредством перепускных коллекторов, при этом кривошипы одной пары рабочего и компрессорного цилиндров смещены относительно другой пары рабочего и компрессорного цилиндров на 180°, ресивер теплоизолирован или выполнен из теплоизоляционного материала, двигатель снабжен электронной системой впрыска топлива от электронного блока управления (ЭБУ), а управление клапанами осуществляется либо от ЭБУ либо кулачками управления клапанами, установленными на общем коленчатом валу или распределительном валу, каждый компрессорный цилиндр сообщен через всасывающий клапан с атмосферой, а через нагнетательный клапан - с ресивером, и каждый рабочий цилиндр сообщен через всасывающий клапан с ресивером, а через нагнетательный клапан - с выхлопной системой двигателя.
Каждый компрессорный цилиндр бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и к системе зажигания топливной смеси.
Каждый рабочий цилиндр бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и к системе зажигания топливной смеси.
Каждый рабочий цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива.
Каждый компрессорный цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива.
Каждый компрессорный цилиндр при использовании бензина двигателя сообщен через всасывающий клапан с атмосферой, а через нагнетательный клапан - с ресивером, каждый рабочий цилиндр сообщен через всасывающий клапан с ресивером, а через нагнетательный клапан - с выхлопной системой двигателя, при этом впрыск топлива и система зажигания производится от электронного блока управления ЭБУ в рабочих цилиндрах или в компрессорных цилиндрах для высокооборотных ДВС.
Каждый компрессорный цилиндр при использовании дизельного топлива сообщен через всасывающий клапан с атмосферой, а через нагнетательный клапан - с ресивером, при этом каждый рабочий цилиндр подключен к электронной системе впрыска топлива в рабочие цилиндры, а также сообщен через всасывающий клапан с ресивером, а через нагнетательный клапан - с выхлопной системой двигателя.
В ходе проведенного исследования было установлено, что в ДВС поступательное движение поршня рабочего цилиндра приводит во вращательное движение коленчатый (рабочий) вал с помощью шатунно-кривошипного механизма (ШКрМ). Передача энергии поступательного движения поршня рабочего цилиндра рабочему валу зависит от MKp=FRsinα, где R - радиус кривошипа; α - угол отклонения кривошипа от направления силы F, действующей на поршень. Поэтому, при рабочем такте, на вращающийся вал передается энергия с эффективностью, зависящей от sinα. В современных двигателях в начале рабочего такта в ВМТ (верхняя мертвая точка) сила давления на поршень наибольшая, но эффективность мала в связи с малым углом α, близким к нулю. Из-за низкой эффективности недоиспользованная тепловая энергия нагревает рабочий цилиндр, выходя через стенки рабочего цилиндра наружу. Поскольку время горения может быть 1-2 мс и более, то важно, чтобы максимальная энергия при сгорании топлива была при небольшом угле Ө поворота кривошипа от ВМТ2 (эта точка соответствует началу рабочего цикла) поршня. При большом угле Ө увеличивается высота, соответствующая камере сгорания рабочего цилиндра при начале рабочего такта, что уменьшает рабочее значение коэффициента сжатия z и, соответственно, КПД.
На повышение КПД также направлено то, что каждый компрессорный цилиндр бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и к системе зажигания топливной смеси, каждый рабочий цилиндр бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и к системе зажигания топливной смеси, каждый рабочий цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и каждый компрессорный цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива, что связано с тем, что представляется возможность синхронизировать процессы впрыска топлива и его зажигания. Как результат достигается увеличение полноты сгорания топлива и, как следствие снижение загрязнения окружающей среды несгоревшим топливом.
На чертеже схематически представлен четырехтактный четырех цилиндровый двигатель внутреннего сгорания с двумя блоками цилиндров.
Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания содержит четное число цилиндров кратное двум, разбитых на блоки по два цилиндра, в каждом из которых рабочий цилиндра 1 (2) и компрессорный цилиндр 3 (4), а также ресивер 5, сообщенный со всеми цилиндрами 1, 2, 3 и 4 посредством перепускных коллекторов 6, причем вес блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом 7, кривошипы 8 одной пары рабочего 1 и компрессорного 3 цилиндров смещены относительно другой пары рабочего 2 и компрессорного 4 цилиндров на 180°. Ресивер 5 должен быть хорошо теплоизолирован или выполнен из теплоизоляционного материала. Двигатель снабжен электронной системой впрыска топлива от электронного блока управления ЭБУ 9. Управление клапанами осуществляется либо от ЭБУ, либо кулачками управления клапанами (не показаны), установленными на общем коленчатом валу 7 или распределительном валу (не показан).
Каждый компрессорный цилиндр 3 и 4 бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива от электронного блока управления ЭБУ 9 в компрессорные цилиндры 3 и 4 (см. чертеж) и системе зажигания топливной смеси (не показана), а также сообщен через всасывающий клапан 10 с атмосферой, а через нагнетательный клапан 11 - с ресивером 5. Каждый рабочий цилиндр 1 и 2 сообщен через всасывающий клапан 12 с ресивером 5, а через нагнетательный клапан 13 - с выхлопной системой двигателя (не показана), причем каждый рабочий цилиндр 1 и 2 бензинового двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива от электронного блока управления ЭБУ 9 и к системе зажигания топливной смеси (не показана).
Каждый компрессорный 3 и 4 цилиндр дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива и сообщен через всасывающий клапан 10 с атмосферой, а через нагнетательный клапан 11 - с ресивером 5, при этом каждый рабочий цилиндр 1 и 2 дизельного двигателя подключен к электронной системе впрыска топлива от электронного блока управления ЭБУ 9 в рабочие цилиндры 1 и 2, а также сообщен через всасывающий клапан 12 с ресивером 5, а через нагнетательный клапан 13 - с выхлопной системой двигателя (не показана).
Рассмотрим работу одной пары цилиндров 1 и 3 бензинового двигателя. Работа другой пары 2 и 4 аналогична, но сдвинута по времени при повороте рабочего вала на 180° . При вращении общего коленчатого вала 7 после такта всасывания атмосферного воздуха в компрессорный цилиндр 3, всасывающий клапан 10 закрывается н выполняется такт сжатия в компрессорном цилиндре 3. В это время в рабочем цилиндре 1 при открытом нагнетательном клапане 13 выполняется такт полного выброса продуктов сгорания в выхлопную систему двигателя вплоть до достижения поршнем 15 верхней мертвой точки ВМТ1. Движущиеся уровни компрессорного 3 и рабочего 1 цилиндров одинаковые, но еще до подхода к ВМТ2 поршня 14 компрессорного цилиндра 3 бензинового двигателя, которая расположена ниже ВМТ1 на размер высоты камеры сгорания происходит впрыск топлива электронной системой впрыска топлива ЭБУ 9, подача искры и сжигание топлива в компрессорном цилиндре 3. При дальнейшем движении поршня 14 вверх до ВМТ1 продукты сгорания бензинового двигателя вытесняются в ресивер 5 при открытом нагнетательном клапане 11, который закрывается при достижении поршнем 14 компрессорного цилиндра 3 ВМТ1. После чего открывается всасывающий клапан 12 рабочего цилиндра 1 и продукты сгорания бензинового двигателя из ресивера 5 поступают в рабочий цилиндр 1, после чего при опускании поршня 15 рабочего цилиндра 1 до уровня ВМТ2 закрывается его всасывающий клапан 12, и начинается рабочий ход бензинового ДВС. В этом случае уже угол Ө близок к нулю, что очень важно для высокооборотных ДВС. Далее весь процесс идет аналогично изложенному. Для низкооборотных бензиновых двигателей удобней вариант сжигания топлива в камере сгорания рабочего цилиндра (не показано), так как в этом случае тепловые нагрузки и давление в ресивере значительно ниже.
Для дизельных, низкооборотных ДВС, аналогично сжатый в компрессорном цилиндре воздух вытесняются в ресивер 5, а оттуда в рабочий цилиндр, где после опускания поршня 15 до ВМТ2, клапан 12 закрывается, впрыскивается топливо (не показано), воспламеняется и начинается рабочий такт.
Объем ресивера 5 выбирается в 5-10 раз больше объема камеры сгорания рабочего цилиндра 1, что может быть меньше объема одного рабочего цилиндра, а наполнение ресивера 5 воздухом или газами при сжигании топлива в компрессорном цилиндре происходит в течение первых оборотов работы двигателя.
Управление временем закрытия клапана 12 производится от ЭБУ 9 или от системы кулачков, связанных с акселератором, таким образом, что высота камеры сгорания рабочего цилиндра 1, при котором закрывается клапан 12, будет уменьшаться пропорционально пониженной мощности работы двигателя. Например, при пониженной в 2 раза рабочей мощности дизельного двигателя соответственно меньшая часть воздуха или продуктов сгорания поступает из компрессорного цилиндра 3 в ресивер 5. При поступлении в рабочий цилиндр 1 клапан 12 закрывается раньше, после переброски порции, соответствующей порции, поступившей из компрессорного цилиндра 3. При этом высота камеры сгорания рабочего цилиндра 1 над поршнем 15 будет в два раза меньше, что обеспечит больший рабочий коэффициент сжатия и, соответственно, КПД. Таким образом, есть возможность при пониженном количестве рабочей топливной смеси, как бы, дожимать ее до оптимального значения и работать с повышенной эффективностью при пониженных мощностях ДВС.
Описанный режим работы предоставляет возможность полного выброса продуктов сгорания. В случае профильной формы камеры сгорания поршня крышка цилиндра должна иметь анти профиль, чтобы обеспечить полный выброс продуктов горения. Так как весь цикл работы совершается за один оборот рабочего вала, то есть возможность отказаться от распределительного вала существующих двигателей, поместив кулачки управление клапанами 10, 11, 12 и 13 на общем коленчатом валу 5.