Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания . Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными впускными патрубками с источником сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускными патрубками и входом в перепускной канал, выход которого сообщен с впускными окнами. Система газораспределения содержит обратный клапан во впускном патрубке и золотниковый клапан, посредством которого в фазе свободного выпуска продукта сгорания со значительным избыточным давлением направляются на вход перепускного канала, затем вход перекрывается золотниковым клапаном и выпуск газов происходит в выпускной патрубок, а продувка и наполнение осуществляются воздухом, сжатым в перепускном канале. Рассмотрены варианты золотникового клапана-распределителя с поступательным и вращательным движениями и с регулируемым в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя режимом работы, а также вариант, совместимый с двигателем, имеющим клапанное газораспределение. Изобретение обеспечивает более эффективное использование импульсов давления в выпускном тракте, повышает топливную экономичность, устраняет необходимость в агрегате турбонаддува, улучшает массогабаритные характеристики упрощает конструкцию. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 7 ил. сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 02 В 27/00

ГОСУДАРСТ8Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1

«уд,>

1о (о ф

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4753758/06 (22) 02.10.89 (46) 30.11,91. Бюл. ¹ 44 (75) П, С. Владимиров (53) 621.436.21.22(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР № 705134, кл. F 02 В 27/00. 1976.

Авторское свидетельство СССР № 1430570, кл. F 02 В 27/00, 1987. (54) СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания. Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными впускными патрубками с источником сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускными патрубками и входом в перепускной канал, выход которого сообщен с впускными окнами. Система газораспределения содержит обратный клапан во впускном патрубке и золотниковый

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания.

Целью изобретения является повышение экономичности.

На фиг. 1 представлена схема цилиндра двигателя с двумя вариантами выполнения перепускного канала и золотникового клапана; на фиг, 2 — разрез А — А нэ фиг. 1; на фиг, 3 — разрез Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4— золотниковый клапан в начале фазы выпуска; на фиг, 5 — то же, в период соединения

„, . Ж„„1694954 А1 клапан, посредством которого в фазе свободного выпуска продукта сгорания со значительным избыточным давлением направляются на вход перепускного канала, затем вход перекрывается золотниковым клапаном и выпуск газов происходит в выпускной патрубок, а продувка и наполнение осуществляются воздухом, сжатым в перепускном канале. Рассмотрены варианты золотникового клапана-распределителя с поступательным и вращательным движениями и с регулируемым в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя режимом работы, а также вариант, совместимый с двигателем, имеющим клапанное газораспределение, Изобретение обеспечивает более эффективное использование импульсов давления в выпускном тракте, повышает топливную экономичность, устраняет необходимость в агрегате турбонаддува, улучшает массогабари-,ные характеристики упрощает конструкцию. 2 с. и 11 э.п, ф-лы, 7 ил. выпускного коллектора и перепускного канала; на фиг. 6 — то же, с возвратным элементом в виде пневмоцилиндра в период соединения выпускного коллектора с выпускным патрубком; на фиг, 7 — золотниковый клапан, сопряженный с управляемым выпускным клапаном.

Двигатель содержит по меньшей мере один рабочий цилиндр 1 с ребрами 2 воздушного охлаждения, форсункой 3, впуск. ными окнами 4 и выпускными окнами 5, в цилиндре подвижно и оппоэитно установлены поршни 6 и 7. Снаружи цилиндра уста1694954 новлен воздушный кожух-ресивер 8, во внутренних стенках 9 которого выполнены ряды отверстий 10, сообщающихся с впускными патрубками 11, соединенными с источником низконапорного сжатого воздуха, например с установленной на валу двигателя крыльчаткой. Отверстия 10 закрыты автоматическими обратными клапанами, выполненными в виде упругих пластин 12, жестко присоединенных к планкам 13 с направляющими штифтами 14, подвижно сопряженными с отверстиями 10. Снаружи цилиндра смонтированы перепускные каналы 15 и 16 с входными отверстиями 17 и 18 и выходными отверстиями 19 и 20, соединенными с кожухом-ресивером 8.

На фиг, 1 изображены два варианта выполнения перепускного канала. Первый вариант, канал 15 с разделительной перегородкой 21, выполненной в виде качающейся пластины из легкого жаропрочного материала, например из титанового сплава или углепластика, снабженной на периферийных поверхностях лабиринтными уплотнениями, например, в виде ячеек или продольных канавок и сопряженной с минимальным зазором с корпусом канала, В плане пластина имеет прямоугольную форму, соответственно корпус канала 15 образован цилиндрической стенкой и двумя плоскими торцовыми крышками. Перегородка 12 жестко закреплена на валике 22 с возможностью поворота в подшипниках, выполненных в торцовых стенках канала 15.

Ло меньшей мере на одном конце валика снаружи камеры неподвижно закреплен рычаг 23, соединенный с пружиной 24 растяжения, зафиксированной другим концом в корпусе.

Второй вариант: перепускной канал 16 не содержит размещенных внутри подвижных элементов, поэтому форма канала в продольном и поперечном направлениях достаточно произвольна и определяется, в основном, требованиями минимального аэродинамического сопротивления и обеспечения беэвихревого безотрывнаго потока газов, Поперек канала целесообразна установка диафрагмы 25, выполненной из жаропрочного материала, например, в виде проволочной сетки или листа, перфорированного отверстиями, при этом предпочтительно дифференцированное исполнение ячеек или отверстий: на периферии диаметр отверстий и их относительная проницаемость (площадь отверстий, отнесенная к единице площади диафрагмы, например к 1 см ) больше, чем в центре, в области газового потока с наибольшими скоростями.

Выпускные окна 5 сообщены с выпускным коллектором 26, охватывающим цилиндр подобна кожуху-ресиверу 8, в коллекторе установлены выпускные клапа5 ны-распределители золотникового типа. 3олотниковый клапан-распределитель 27

{вариант выполнения клапана-распределителя 28) содержит диск 29, выполненный за одно целое со стержнем 30, и цилиндриче10 ский стакан 31 с расположенными по окружности распределительными окнами 32.

Стакан клапана с минимальными зазорами сопряжен с отверстием 33, выполненным в цилиндре и коллекторе, это отверстие имеет

15 разнесенные по длине кольцевые распределительные каналы, иэ которых канал 34 соединяет полость отверстия 33 с выпускными оверстиями 5, канал 35 — с входным отверстием 17 перепускного канала, а канал 36—

20 с выпускным патрубком 37.

В стенке цилиндра, являющейся торцом отверстия 38, выполнены окна 38, которые отличаются от выпускных окон 5 большей высотой, т, е. они выше окон 5 на

25 величину ЛЬ. Между диском клапана и корпусом предусмотрена демпфирующая полость 39. На конце стержня 30 закреплена тарелка 40, с которой сопряжен упругий элемент — пружина 41 сжатия, второй конец

30 которой опирается на тарелку 42 с толкателем 43, подвижно установленным в корпусе и снабженным приводом поступательного движения (например, кинетически связанным с центробежным регулятором частоты

35 вращения вала двигателя, с регулятором цикловой подачи топлива или с шаговым электродвигателем, действующим по команде 38M). Вместо пружины может быть применен пневматический упругий элемент

40 в виде пневмоцилиндра 44 (фиг, 6) с поршнем 45 и выпускными отверстиями 46, расположенными на расстоянии h от конца рабочей полости пневмоцилиндра, Надпоршневая полость пневмоцилиндра сообщена

45 с емкостью 47, соединенной с источником сжатого газа, например с полостью перепускного канала 15 через дополнительный обратный клапан 48.

В другом варианте емкость 47 соедине50 на с управляемым газовым редуктором 49, соединенным с источником сжатого газа, например с бортовой пневмосистемой, при этом отверстия 46 сообщены с перепускным каналом 15, Привод управления газовым ре55 дуктором кинематически связан или с центробежным регулятором, или с регулятором цикловой подачи топлива. или с электроприводом и бортовым микропроцессором.

Вариант золотникового клапана-распределителя 28 является аналогом клапана1694954 чительны, поскольку полость 70 имеет 55 небольшую емкость, а ход клапана в начальной фазе ускорения мал, После прохождения клапаном расстояния I полость 70 соединяется с полостью выпускного коллектора 26, в этот момент поршень 7 открывает распределителя 27, но с поворотным рабочим элементом, выполненным в виде пустотелого сектора с цилиндрической частью 50,. имеющей окно 51, и двух плоских торцовых поверхностей 52 с окнами 53.

Клапан с минимальными зазорами раз- мещен в соответствующей секторной полости 54, имеющей распределительные окна

55, 56 и 57 на цилиндрической и торцовых поверхностях, сообщающиеся соответственно с выпускными окнами 5, отверстием

18 перепускного канала 16 и выпускным патрубком 58. Клапан имеет на торцовых стенках две цилиндрические цапфы 59, сопряженные с подшипниками R корпусе, Одна из цапф снаружи жестко скреплена с рычагом 60, соединенным с пружиной 61 растяжения, которая вторым концом соединена с тягой 62, соединенной с регулирующим приводом, действующим или от центробежного регулятора, или от регулятора цикловой подачи, или от бортового вычислительного устройства (подобно устройству управления клапаном-распределителем 27).

На фиг, 1 — 6 рассмотрены варианты реализации способа в двухтактном двигателе с прямоточной щелевой продувкой, На фиг. 7 изображено устройство, применяемое в двигателях с клапанным газораспределением, например в двигателях с клапанно-щелевой продувкой или в четырехтактных двигателях с выпускным и впускным клапанами. На стержень управляемого выпускного клапана 63 коаксиально и с возможностью осевого перемещения установлен золотниковый клапан-распределитель 64 с юбкой 65 стакана и отверстиями 66, а в сопряженном с клапаном отверстии корпуса выполнены кольцевой канал 67, сообщающийся с входом в перепускной канал, и канал 68, сообщающийся с выпускным патрубком.

Клапан-распределитель 64 поджат пружиной 69.

Способ осуществляется следующим образом.

В конце процесса расширения поршень

7 открывает выпускные окна 38 большей высоты, газы с ударным расширением заполняют подклапанную полость 70 клапанараспределителя 27 (фиг. 4) и сообщают ему .ускоренное движение. При этом энергетические потери процесса расширения незна5

45 с

50 выпускные окна 5, а распр» делит». лен».»е ок на 32 клапана соединя»о»сч с кольцевыми каналами 35 и далее с входным отверстием

17 перепускного канала 15. начинается фаза свободного выпуска газов, в которой газы, расширяясь в полость канала 15. сжимают в ней воздух, поступивший через впускной патрубок 11, пластин ь» 12 при этом закрывают отверстия 10, При дальнейшем ходе клапана е"o юбка перекрывает канал 35 и открывает канал 36, сообщающийся с выпускным патрубком 37. Сжатым воздухом из канала 15 и кожуха-ресивера 8 через окна 4 и 5 осуществляется интенсивная продувка рабочей полости цилиндра 1 (фиг. 1 и 6), Продукты расширения иэ патрубка 37 направляются или в атмосферу, или в ниэконапорный нагнетатель, выход которого сообщен с впускным патрубком 11. В конце прямого хода клапан-распределитель 27 безударно тормозится воздушным демпфером (полость 39), затем движется в обратном направлении под действием пружины 41. В конце обратного хода клапан тормозится демпфером и останавливается в исходном положении (фиг, 4), при котором перепускной канал 15 через каналы 35 и 36 сообщены с выпускным патрубком, что обеспечивает возврат перегородки 21 в исходное положение 71 давлением воздуха в кожухе-ресивере 8. Возвратный ход. перегородки 21 совершается в течение фаз сжатия и расширения.

Длительность фазы продувки рабочей полости цилиндра 1 зависит от скорости обратного хода клапана, эта скорость может быть увеличена поджатием пружины 41 посредством связанного с толкателем 43 автоматического привода. действующего,. например, от центробежного регулятора частоты вращения вала двигателя.

При использовании упругого элемента в виде пневмоцилиндра (фиг. 6) скорость возврата клапана уменьшается с ростом давления в перепускном канале 15, полость которого сообщена с отверстиями 46, и увеличивается с повышением давления в емкости 47, автоматически регулируемого управляемым газовым редуктором, таким образом обеспечивается автоматическое увеличение времени продувки при повышении цикловой подачи и уменьшение его с ростом частоты вращения.

Поворотный клапан-распределитель 28 действует аналогично клапану-распределителю 27. В конце процесса расширения через окна 72 сжатый газ проникает во внутреннюю полость клапана, сообщая ему ускоренное вращательное движение. в фазе свободного выпуска продукты сгорания че1694954

25

55 рез канал 56 и отверстие 18 поступают в перепускной канал 16 и сжимают воздух. при этом профиль скорости потока выравнивается сетчатой диафрагмой 25 и фронт раздела горячих газов и холодного воздуха близок к плоской форме, что препятствует перемешиванию горячего и холодного компонентов и проникновению продуктов сгорания в воздушный кожух-ресивер 8. После окончания фазы свободного выпуска окна

51 и 53 клапана соединяются с окном 57 выпускного патрубка 58 и продукты сгорания выпускаются в атмосферу или в нагнетатель, вход в перепускную камеру при этом перекрыт цилиндрической частью 50 клапана, сжатый воздух поступает в цилиндр через окна 4 и осуществляет вихревую прямоточную продувку его рабочей полости, В конце прямого хода клапан-распределитель 28 мягко останавливается пневмодемпфером 73 и упруго отражается обратно.

Реализацию данного способа в двигателях с клапанным газораспределением обеспечивает устройство, показанное на фиг. 7. действующее следующим образом. При открытии выпускного клапана 63 сжатые газы сообщают ускоренное движение золотниковому клапану-распределителю 64, который, перемещаясь по стержню управляемого клапана 63 и сжимая пружину 69, в фазе свободного выпуска соединяется отверстиями 66 с выпускным каналом 67 и далее с входом в перепускнои канал, затем канал 67 перекрывается юбкой 65, открывается канал 68 в выпускной патрубок и осуществляется продувка цилиндра воздухом из перепускного канала (или дозарядка соседнего цилиндра при четырехтактном цикле).

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем продувки цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительного сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания и их выпуска с использованием импульсов давления в перепускном канале между выпускными и впускными патрубками, о т л и ч à loшийся тем, что,. с целью повышения экономичности, в начале выпуска продукты сгорания перепускают на вход перепускного канала, отсоединенного от впускного патрубка, воздух предварительно сжимают в перепускном канале, предварительно сжатый воздух направляют во впускной патрубок, во время дополнительного, сжатия, сгорания и расширения продукты сгорания выпускают, из перепускного канала, связанного входом с выпускным патрубком, а выходом с впускным патрубком.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными впускным патрубком с источником предварительно сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускным патрубком через выпускной коллектор. поршни, размещенные в цилиндре с воэможностью движения навстречу друг другу, перепускной канал, соединенный входом с выпускным патрубком, а выходом с впускным патрубком,отличающийся тем,что, с целью повышения экономичности, он снабжен золотниковым клапаном с распределительными окнами, связанным с упругим возвратным элементом и подвижно установленным в выпускном патрубке с возможностью последовательного соединения входа перепускного канала с выпускным патрубком, с выпускным коллектором и соединения выпускного коллектора с выпускным патрубком, а во впускном патрубке установлен обратный клапан.

3. Двигатель по и. 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что золотниковый клапан выполнен в виде цилиндрического стакана, снабженного стержнем. и распределительные окна выполнены в боковой стенке стакана.

4. Двигатель по и. 2, о тл и ч а ю щи йс я тем, что золотниковый клапан выполнен в виде пустотелого сектора, установленного с воэможностью поворота вокруг неподвижной оси, и распределительные окна выполнены в цилиндрической и торцовой стенках сектора.

5. Двигатель по пп, 2 — 4, отл ича ю щий с я тем, что золотниковый клапан снабжен демпферами-ограничителями хода. .6. Двигатель по пп. 2, 3 и 5 — о т л и ч аю шийся тем, что упругий возвратный элемент выполнен в виде пневмоцилиндра с поршнем, соединенного с источником предварительно сжатого воздуха.

7. Двигатель по и. 6, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что он снабжен дополнительным обратным клапаном, надпоршневая.полость пневмоцилиндра соединена через дополнительный обратный клапан с перепускным каналом.

8. Двигатель по пп. 2-7, о т л и ч а ю щ и йс я .тем, что упругий возвратный элемент снабжен регулятором возвратного усилия, 9. Двигатель по пп. 2, 3, 5, 6 и 8, о т л ич а ю шийся тем, что он снабжен управляемым газовым редуктором, надпоршневая полость пневмоцилиндра сообщена с источником предварительно сжатого воздуха через управляемый газовый редуктор, а

1694954 подпоршневая полость — с перепускным каналом.

10, Двигатель по пп. 2-9. о т л и ч а юшийся тем, что перепускной канал выполнен в виде камеры с заслонкой, установленной с возможностью поворота в камере и сопряженной с ней, 11. Двигатель по пп, 2-9, о т л и ч а юшийся тем, что перепускной канал выполнен в виде камеры с размещенной в ней неподвижной диафрагмой с отверстиями, 12. Двигатель по и. 11, отл ича ю щийс я тем, что отверстия в диафрагме выполнены с диаметрами, уменьшающимися oT периферии к ее центру, 5 13. Двигатель по п. 2, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что выпускной патрубок снабжен управляемым выпускным клапаном, на его штоке подвижно установлен золотниковый клапан, выполненный в виде цилиндриче10 ского стакана, и распределительные окна выполнены в боковой стенке стакана.

Ф

72

76

37

1694954

1694954

88

Составитель К. Дементьев

Техред M. Моргентал Корректор M. Максимишинец

Редактор Н. Цалихина

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 4145 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5