Способ работы двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в машиностроении, в частности в двигателях внутреннего сгорания, в которых поршень выполнен ступенчатым. Сущность изобретения: способ работы двигателя внутреннего сгорания включает наполнение свежим зарядом рабочей полости цилиндра, сжатие свежего заряда поршнем при его движении к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск продуктов сгорания, энергию расширения которых преобразуют в механическую работу, частично затрачиваемую на предварительное сжатие порций свежего заряда поршнем при его движении и последующую подачу этих порций в рабочую полость цилиндра, при этом порции предварительно сжатого свежего заряда аккумулируют в общей камере, а затем подают их в рабочую полость цилиндра. Первую порцию предварительно сжатого свежего заряда подают в аккумулирующую камеру при движении поршня к нижней мертвой точке, а вторую порцию - при обратном движении; порции сжатого свежего заряда из общей камеры подают в рабочую полость до момента выравнивания давления в ней и аккумулирующей камере. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к двигателям внутреннего сгорания, в которых поршень двигателя и поршень нагнетателя выполнены в виде одного ступенчатого поршня.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий наполнение свежим зарядом рабочей полости цилиндра, сжатие свежего заряда поршнем при его движении к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск продуктов сгорания, энергию расширения которых преобразуют в механическую работу, частично затрачиваемую на предварительное сжатие порции свежего заряда поршнем при его движении к нижней мертвой точке и последующую подачу этой порции в рабочую полость другого цилиндра [1].

Предварительное сжатие поршнем, согласно известному техническому решению, порция свежего заряда только при его движении к нижней мертвой точке и отсутствие аккумулирования достаточного количества сжатого заряда обуславливают неэффективность продувки рабочих полостей цилиндров и отсутствие эффективного наддува.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий наполнение свежим зарядом рабочей полости цилиндра, сжатие свежего заряда поршнем при его движении к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск продуктов сгорания, энергию расширения которых преобразуют в механическую работу, частично затрачиваемую на предварительное сжатие порций свежего заряда поршнем при его движении и последующую подачу этих порций в рабочую полость цилиндра. Порцию свежего заряда, сжимаемую при движении поршня к верхней мертвой точке, перед подачей ее в рабочую полость цилиндра аккумулируют [2].

Недостатком известного способа работы, выбранного в качестве прототипа, является отсутствие, как и в вышеупомянутых аналогах, аккумулирования порций предварительно сжимаемого свежего заряда в общей камере, что не позволяет осуществить в двигателе максимально эффективную продувку его рабочих полостей. Известный способ не предусматривает также использование упомянутых порций свежего заряда для наддува рабочих полостей после продувки. Следствием отмеченного является недостаточно высокие показатели качества газообмена в двигателе и эффективности его работы в целом.

Задачей данного изобретения является создание способа работы двигателя внутреннего сгорания повышенной эффективности за счет улучшения качества процессов газообмена в нем.

Эта задача решается тем, что в соответствии со способом работы двигателя внутреннего сгорания, включающим наполнение свежим зарядом рабочей полости цилиндра, сжатие свежего заряда поршня при его движении к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск продуктов сгорания, энергию расширения которых преобразуют в механическую работу, частично затрачиваемую на предварительное сжатие порций свежего заряда поршнем при его движении и последующую подачу этих порций в рабочую полость цилиндра, порции предварительно сжатого свежего заряда аккумулируют в общей камере, а затем подают их в рабочую полость цилиндра. Первую порцию предварительно сжатого свежего заряда подают в упомянутую аккумулирующую камеру при движении поршня к нижней мертвой точке, а вторую порцию - при обратном движении поршня. Порции сжатого свежего заряда из общей аккумулирующей камеры подают в рабочую полость цилиндра до момента выравнивания давления в ней и аккумулирующей камере.

При реализации заявляемого способа работы двигателя внутреннего сгорания за счет аккумулирования предварительно сжимаемых порций свежего заряда в общей камере при движении поршня от верхней мертвой точки к нижней и в обратном направлении и последующего использования этих порций для продувки рабочих полостей цилиндров и их наддува обеспечивается улучшение качества очистки рабочих полостей цилиндров, повышение наполнения их свежим зарядом и, как следствие, улучшение показателей работы двигателя.

На фиг. 1 показана схема газообмена в одном из цилиндров четырехцилиндрового двигателя внутреннего сгорания при реализации заявляемого способа его работы при угле поворота коленчатого вала от 0 до 180^o; на фиг. 2 изображена аналогичная схема, но при угле поворота вала от 180^o до 360^o, на фиг. 3 (а, б) приведены диаграммы чередования тактов и фазовые диаграммы газораспределения при реализации заявляемого способа работы соответственно для первого (фиг. 3а) и второго (фиг. 3б) цилиндров, а на фиг. 4 (а, б) - аналогичные диаграммы для третьего (фиг. 4а) и четвертого (фиг. 4б) цилиндров двигателя.

В качестве примера реализации заявляемого способа рассматривается работа двухтактного четырехцилиндрового аксиально-поршневого дизеля. Двигатель содержит блок 1 ступенчатых цилиндров 2, оси которых параллельны оси коленчатого вала 3. Поршень 4, связанный с коленчатым валом 3 посредством шатуна 5 и качающейся шайбы (не показана), выполнен также ступенчатым и имеет рабочую 6 и компрессорную 7 ступени. В цилиндре 2 перед рабочей ступенью поршня, имеющей меньший диаметр, образована рабочая полость 8, за компрессорной ступенью - первая компрессорная полость 9, а между ступнями - вторая компрессорная полость 10. Полость 9 отделена от картера (не показан) перегородкой 11. В головке 12 цилиндра установлена форсунка (не показана) для подачи топлива в рабочую полость 8, а на боковой его поверхности последовательно вдоль его высоты в направлении движения поршня от верхней мертвой точки к нижней выполнены два окна - впускное 13 и выпускное 14 для рабочей полости 8 и два окна 15 и 16 для компрессорных полостей соответственно 10 и 9. Механизм газораспределения 17, содержащий пакет шиберов 18, 19, 20, 21 и 22, установленных между втулками для подвода и отвода воздуха на валу 23, соосном коленчатому валу 3 и жестко с ним связанном, обеспечивает сообщение (через окно 13) и разобщение впускного канала 24 и рабочей полости 8 каждого цилиндра 2 с аккумулятором 25 сжатого воздуха и сообщение через окна соответственно 15 и 16 и разобщение компрессорных полостей 10 и 9 каждого цилиндра с тем же аккумулятором 25 и воздухоочистителем, установленным на входе во впускную систему двигателя (не показан). Окно 14 служит для отвода продуктов сгорания горючей смеси из рабочей полости 8 в выпускную систему (не показана).

На фиг. 3 (а-б) на диаграммах чередования тактов в цилиндрах поз. 26 соответствует рабочему ходу, поз. 27 - свободному выпуску, поз. 28 - продувке, поз. 29 - наддуву, поз. 30 - сжатию заряда в рабочей полости. На фазовых диаграммах газораспределения показаны графики изменения проходных сечений, открываемых для подачи через них газа соответственно: поз. 31 - в выпускном окне 14 рабочей полости, поз. 32 - во впускном окне 13, поз. 33 - продувочным шибером 18, поз. 34 - впускным шибером 22, поз. 35 - выпускным шибером 21, поз. 36 - впускным шибером 19, поз. 37 - выпускным шибером 20.

Заявляемый способ работы двигателя внутреннего сгорания реализуют следующим образом.

Фиг. 1 соответствует началу движения поршня от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке, когда горючая смесь уже воспламенилась, а компрессорная полость 9 через окно 16, которое было открыто впускным шибером 22 механизма газораспределения, заполнена порцией свежего заряда, поступившего через воздухоочиститель из атмосферы. При движении поршня от верхней мертвой точки образовавшиеся в рабочей полости газы расширяются, совершая механическую работу (рабочий ход), частично затрачиваемую на предварительное сжатие компрессорной ступенью 7 поршня воздуха в полости 9, который через выпускной шибер 21 подают в аккумулятор 25. Одновременно в компрессорную полость 10 через открытое впускным шибером 19, окно 15 засасывается воздух через воздухоочиститель из атмосферы. По мере движения поршня вдоль боковой поверхности цилиндра он сначала за 50-70^o поворота коленчатого вала до прихода поршня в нижнюю мертвую точку открывает впускное окно 13. Но поскольку в этот момент оно перекрыто продувочным шибером 18, давление в цилиндре уменьшается незначительно (0,1-0,2 атм). При дальнейшем движении поршня к нижней мертвой точке (за 40-60^o поворота коленчатого вала до прихода поршня в нижнюю мертвую точку) начинает открываться выпускное окно 14, что обуславливает начало свободного выпуска продуктов сгорания из рабочей полости 8 в выпускную систему двигателя. В процессе свободного выпуска давление газов в рабочей полости быстро снижается, что улучшает условия для последующего наполнения этой полости свежим зарядом. За 2-12^o до прихода поршня в нижнюю мертвую точку шибер 18 начинает открывать окно 13, сообщая рабочую полость 8 с аккумулятором 25 сжатого воздуха. С этого момента, когда в рабочую полость 8 начинает поступать из аккумулятора сжатый воздух, им осуществляют продувку рабочей полости, что обеспечивает принудительный выпуск продуктов сгорания в выпускную систему и наполнение рабочей полости свежим зарядом. Продувку рабочей полости сжатым воздухом продолжают по мере дальнейшего движения поршня до нижней мертвой точки и далее на части хода поршня в обратном направлении до полного перекрытия выпускного окна 14. При движении поршня от нижней мертвой точки (фиг. 2) шибер 22 сообщает компрессорную полость 9 через окно 16 с воздухоочистителем, и свежий воздух из атмосферы засасывается в эту полость. Одновременно компрессорная ступень 7 поршня сжимает воздух, находящийся в полости 10, который через окно 15, открываемое выпускным шибером 20, подают в аккумулятор 25 сжатого воздуха, пополняя там его запас. Следовательно, продувку рабочей полости цилиндра осуществляют предварительно аккумулируемыми в общей камере 25 порциями сжатого воздуха, поступающими из компрессорных полостей 9 и 10 при движении поршня в обоих направлениях. При этом избыточное давление аккумулируемого из двух компрессорных полостей цилиндров сжатого воздуха составляет 1,1-3,0 атм. Повышенное давление воздуха в процессе продувки способствует улучшению качества очистки рабочей полости цилиндра, оно допускает и более позднее открытие выпускного окна 14, способствуя тем самым более полному расширению газов в рабочей полости в процессе рабочего хода поршня. При движении поршня к верхней мертвой точке он сначала (через 40-60^o после нижней мертвой точки) перекрывает выпускное окно 14. Более раннее перекрытие этого окна, предшествующее перекрытию впускного окна, исключает дополнительный выброс свежего заряда через выпускное окно. Благодаря более позднему перекрытию поршнем впускного окна (через 50-70^o после нижней мертвой точки) аккумулируемые при движении поршня в обоих направлениях порции сжатого воздуха используют для эффективного наддува рабочей полости цилиндра. Порции сжатого воздуха из аккумулирующей камеры 25 подают в рабочую полость цилиндра до момента выравнивания давления в ней и аккумулирующей камере.

Максимальная эффективность газообмена в двигателе при реализации заявляемого способа работы достигается оптимизацией фаз работы шиберов 18-22 механизма газораспределения, обеспечивающих максимально эффективное наполнение и выпуск рабочего тела из компрессорных полостей цилиндра, максимально эффективные продувку и наддув его рабочих полостей. Как видно на фиг. 3, для продувочного шибера 18 предпочтительные фазы начала и конца открытия им торцевых окон во втулках соответственно 2^o-12^o до АМТ и 25^o-35^o до ВМТ (поз. 33), для шиберов 19 и 21 - от ВМТ до НМТ, для шиберов 20 и 22 - от НМТ до ВМТ, при этом максимальное проходное сечение шибер 18 обеспечивает в течение 40^o-50^o, а шиберы 19, 20, 21 и 22 - в течение 45-55^o поворота коленчатого вала.

При использовании заявляемого способа работы в многоцилиндровом двигателе обеспечивается дополнительно, с одной стороны, повышение давления продувки и наддува за счет непрерывной по времени подпитки камеры 25 аккумулируемыми порциями сжатого воздуха из компрессорных полостей разных цилиндров, а с другой стороны, сокращение утечек сжатого воздуха за счет его непрерывного расходования при продувке и наддуве рабочих полостей цилиндров. После перекрытия впускного окна 13 поршень сжимает в замкнутом объеме рабочей полости находящийся в ней заряд, форсункой впрыскивают в эту полость жидкое топливо, около верхней мертвой точки в рабочей полости происходит воспламенение, и цикл работы повторяется.

Достигаемое при реализации заявляемого изобретения улучшение качества процессов газообмена в двигателе внутреннего сгорания обеспечивает снижение расхода топлива и повышение его мощностных показателей.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий наполнение свежим зарядом рабочей полости цилиндра, сжатие свежего заряда поршнем при его движении к верхней мертвой точке, воспламенение и сгорание горючей смеси и выпуск продуктов сгорания, энергию расширения которых преобразуют в механическую работу, частично затрачиваемую на предварительное сжатие порций свежего заряда поршнем при его движении и последующую подачу этих порций в рабочую полость цилиндра, отличающийся тем, что порции предварительно сжатого свежего заряда аккумулируют в общей камере, а затем подают их в рабочую полость цилиндра.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первую порцию предварительно сжатого свежего заряда подают в упомянутую аккумулирующую камеру при движении поршня к нижней мертвой точке, а вторую порцию при обратном движении поршня.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что порцию сжатого свежего заряда из общей аккумулирующей камеры подают в рабочую полость цилиндра до момента выравнивания давления в ней и аккумулирующей камере.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4