Двигатель внутреннего сгорания и способ его работы

 

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к двигателям с форкамерно-факельным воспламенением. Техническим результатом является повышение эффективности работы форкамерного двигателя во всем диапазоне нагрузки и частоты вращения вала. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр с поршнем, головку цилиндра, в которой изготовлены камера сгорания и сообщенная с ней через сопловой канал форкамера со свечой зажигания. Впускной коллектор соединен с камерой сгорания и снабжен топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой. Форкамера соединена с магистралью питания, оснащенной элементами для дозирования воздуха и топлива. Причем в магистрали питания перед элементом для дозирования воздуха размещен приводной нагнетатель, который может быть кинематически связан с валом или приводиться от электродвигателя, а нагнетатель может быть снабжен байпасным трубопроводом, в котором размещен запорный орган, сблокированный с элементом для дозирования воздуха магистрали питания. Такая конструкция позволяет гарантированно наполнять форкамеру свежим зарядом при различных положениях дроссельной заслонки впускного коллектора и при любой частоте вращения вала. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в поршневых двигателях внутреннего сгорания, в частности с продуваемыми форкамерами.

Известны двигатели внутреннего сгорания, содержащие цилиндр, в котором размещен поршень, подсоединенный к коленчатому валу и совершающий возвратно-поступательное движение, головку цилиндра, в которой изготовлены камера сгорания и сообщенная с ней, по меньшей мере, через один сопловой канал форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный клапан и впускной канал с магистралью питания, оснащенной элементами для дозирования воздуха и топлива, и впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозирования воздуха [1].

Известны также способы работы двигателя внутреннего сгорания, характеризующиеся впуском топливовоздушного заряда в цилиндр через впускной коллектор, впускной патрубок и впускной клапан, изменением количества заряда в зависимости от открытия дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, дозированием в магистраль питания воздуха и топлива для образования богатой смеси, которую направляют в форкамеру через впускной канал и вспомогательный впускной клапан, сжатием заряда в цилиндре, зажиганием богатой смеси в форкамере и воспламенением заряда в камере сгорания продуктами сгорания богатой смеси [2].

В известных двигателях, работающих по известным способам, практически невозможно получить необходимую характеристику расхода воздуха, поступающего в форкамеру, что не дает возможности получить хорошую экономичность при работе двигателя на частичных нагрузках и удовлетворительную мощность при работе с полностью открытой дроссельной заслонкой. Это объясняется тем, что при переходе двигателя с работы на частичных нагрузках к работе с полностью открытой дроссельной заслонкой из-за снижения разрежения в цилиндре и дросселирующего эффекта сопловых каналов форкамеры происходит резкое снижение расхода воздуха, поступающего в форкамеру, что затрудняет продувку форкамеры и получение смесей необходимого состава. Снижение продувки форкамеры происходит и при увеличении частоты вращения коленчатого вала. Эти недостатки приводят к не эффективному сгоранию в форкамере и к повышенным выбросам углеводородов с отработавшими газами при изменении режима работы двигателя. В соответствии с этим выбирают компромиссные решения, которые удовлетворяют тем или иным требованиям, но не позволяют получать оптимальные показатели двигателя для широкого изменения режимов работы.

Задачей предлагаемого изобретения является получение оптимальных характеристик расхода воздуха, а, следовательно, и состава богатой смеси путем принудительного ее подвода в форкамеру во всем диапазоне изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала, что позволит осуществлять эффективную работу двигателя на любом из изменяющихся рабочих режимов.

Согласно поставленной задаче, целью изобретения являлось улучшение экономичности и увеличение мощности двигателя при снижении выбросов углеводородов с отработавшими газами.

Для этого в двигателе внутреннего сгорания, содержащем цилиндр, в котором размещен поршень, подсоединенный к коленчатому валу и совершающий возвратно-поступательное движение, головку цилиндра, в которой изготовлены камера сгорания и сообщенная с ней, по меньшей мере, через один сопловой канал форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный клапан и впускной канал с магистралью питания, оснащенной элементами для дозирования воздуха и топлива, и впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозирования воздуха, причем в магистрали питания перед элементом для дозирования воздуха размещен приводной нагнетатель; привод нагнетателя может быть кинематически соединен с коленчатым валом или выполнен в виде электродвигателя, а коленчатый вал снабжен датчиком частоты вращения, который подключен к электродвигателю через блок регулирования; дроссельная заслонка может быть снабжена датчиком ее открытия, подключенным к блоку регулирования; нагнетатель может быть снабжен байпасным трубопроводом, в котором размещен запорный орган, сблокированный с элементом для дозирования воздуха, или через блок регулирования с датчиком открытия дроссельной заслонки.

В способе работы двигателя внутреннего сгорания, характеризующимся впуском топливовоздушного заряда в цилиндр через впускной коллектор, впускной патрубок и впускной клапан, изменением количества заряда в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, дозированием в магистраль питания воздуха и топлива для образования богатой смеси, которую направляют в форкамеру через впускной канал и вспомогательный впускной клапан, сжатием заряда в цилиндре, зажиганием богатой смеси в форкамере и воспламенением заряда в камере сгорания продуктами сгорания богатой смеси, причем в магистрали питания воздух сжимают в нагнетателе и увеличивают его расход при увеличении частоты вращения коленчатого вала и при открытии дроссельной заслонки, либо путем открытия элемента для дозирования воздуха, либо путем уменьшения перепуска части сжатого воздуха на впуск нагнетателя, либо путем уменьшения перепуска части сжатого воздуха на впуск нагнетателя и открытия элемента для дозирования воздуха.

Анализ патентной документации и научно-технической литературы не выявил двигателей внутреннего сгорания и способов их работы с заявленной совокупностью существенных признаков.

Сущность изобретения поясняется графически.

На фиг.1 показан форкамерный двигатель внутреннего сгорания в разрезе по камере сгорания и форкамере; на фиг.2 - схема форкамерного двигателя внутреннего сгорания с системой впуска и блоком регулирования основных параметров; на фиг.3 - схема движения воздуха в магистрали питания при работе двигателя на частичных нагрузках; на фиг.4 - схема движения воздуха в магистрали питания при работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой.

Как показано на фиг.1, двигатель внутреннего сгорания содержит цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, подсоединенный к коленчатому валу 3 и совершающий возвратно-поступательное движение. В головке 4 цилиндра 1 изготовлены камера сгорания 5 и сообщенная с ней, по меньшей мере, через один сопловой канал 6 форкамера 7 со свечой зажигания 8. Камера сгорания 5 соединена через впускной клапан 9 и впускной патрубок 10 с впускным коллектором 11, в котором размещена дроссельная заслонка 12, управляющая нагрузкой двигателя. Система впуска топливовоздушного заряда в цилиндр 1 имеет топливодозирующий орган, в качестве которого может быть использована форсунка 13, расположенная во впускном патрубке 10 и подсоединенная к топливному баку 14 через топливопровод 15. В качестве системы дозирования топливовоздушного заряда в цилиндре 1 может быть использован и карбюратор (не показан). Форкамера 7 соединена через вспомогательный клапан 16 и впускной канал 17 с магистралью 18, оснащенной элементом 19 для дозирования воздуха и элементом 20 для дозирования топлива. Элемент 19 может быть выполнен в виде дроссельной заслонки, а элементом 20 может быть форсунка, в частности общая для работы всех форкамер 7 (см. фиг.2). Существо изобретения не изменится, если в качестве элементов 19 и 20 будет использован карбюратор (не показан). Дроссельная заслонка 12 может быть соединена с элементом 19 механическим приводом, либо дроссельная заслонка 12 может быть оснащена датчиком 21 ее открытия, который через блок регулирования 22, управляет положением элемента 19 в магистрали питания 18. В качестве датчика 21 может быть использован датчик разрежения во впускном коллекторе 11. В магистрали питания 18 перед элементом 19 для дозирования воздуха размещен приводной нагнетатель 23. Привод нагнетателя 23 может быть осуществлен непосредственно от коленчатого вала 3, как это условно показано на фиг.2, а может быть осуществлен электродвигателем 24, подсоединенным к аккумулятору и управляемым датчиком 25 частоты вращения коленчатого вала 3 через блок регулирования 22. Впускной патрубок нагнетателя 23 может быть соединен с его впускным патрубком 27 через байпасный трубопровод 28, в котором размещен запорный орган 29, сблокированный либо механически с элементом 19, либо через блок регулирования 22 с датчиком 21 поворота дроссельной заслонки 12.

При работе двигателя во впускной коллектор 11 и в магистраль питания 18 поступает воздух. Расход воздуха через впускной коллектор 11 регулируется дроссельной заслонкой 12 так, что при работе двигателя на частичной нагрузке дроссельная заслонка 12 прикрыта, а при работе на полной нагрузке она полностью открывается. В зависимости от положения дроссельной заслонки 12 и частоты вращения коленчатого вала 3 на головку открытого впускного клапана 9 при помощи форсунки 13 впрыскивается топливо и образовавшийся относительно бедный топливовоздушный заряд поступает в цилиндр 1 при движении поршня 2 к нижней мертвой точке. В тоже время в магистрали питания 18 происходит сжатие воздуха в приводном нагнетателе 23. Расход сжатого воздуха в магистрали питания 18 изменяют элементом 19 в зависимости от расхода воздуха, поступающего в цилиндр 1, или при помощи механической связи (показано пунктирной линией) между дроссельной заслонкой 12 и элементом 19, или от сигнала датчика 21 через блок регулирования 22. В сжатый воздух форсункой 20 впрыскивается топливо, и образовавшаяся богатая топливовоздушная смесь через впускной канал 17 и открытый вспомогательный клапан 16 поступает в форкамеру 7. При движении поршня 2 к верхней мертвой точке происходит сжатие относительно бедного топливовоздушного заряда в цилиндре 1 и относительно богатой смеси в форкамере 7. В конце сжатия в форкамере 7 свечей зажигания 8 происходит зажигание богатой смеси. Давление в форкамере 7 возрастает и продукты сгорания богатой смеси через сопловой канал 6 воспламеняют относительно бедный топливовоздушный заряд в камере сгорания 5, который сгорает с высокой скоростью и полнотой. Поршень 1 под действием продуктов сгорания движется к нижней мертвой точке, осуществляя полезную работу.

Работа двигателя может происходить и при наличии байпасного трубопровода 28 с запорным органом 29, соединяющего выпускной патрубок 27 нагнетателя 22 с его впускным патрубком 26 (см. фиг.3 и 4). На режимах холостого хода и частичных нагрузках работа двигателя происходит с частично открытым запорным органом 29, как это показано на фиг.3. При увеличении нагрузки увеличивается открытие дроссельной заслонки 12 и открытие элемента 19. При этом запорный орган 29 прикрывает байпасный канал 28, уменьшая перетекание сжатого воздуха во впускной патрубок 26 нагнетателя 23. При работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой 12 элемент 19 открывает магистраль питания 18, а запорный орган 29 закрывает байпасный трубопровод 28 и весь сжатый воздух поступает в форкамеру 7, как это показано на фиг.4.

Источники информации 1. Патент России 2044897, кл. F 02 B 19/00, 1995.

2. Патент Японии 50-12529, кл. 50 B1, 1975.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндр, в котором размещен поршень, подсоединенный к коленчатому валу и совершающий возвратно-поступательное движение, головку цилиндра, в которой изготовлены камера сгорания и сообщенная с ней через, по меньшей мере, один сопловой канал форкамера со свечой зажигания, соединенная через вспомогательный клапан и впускной канал с магистралью питания, оснащенной элементами для дозирования воздуха и топлива, и впускной коллектор, соединенный через впускной патрубок и впускной клапан с камерой сгорания и оснащенный топливодозирующим органом и дроссельной заслонкой, сблокированной с элементом для дозирования воздуха, отличающийся тем, что в магистрали питания перед элементом для дозирования воздуха размещен приводной нагнетатель.

2. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что привод нагнетателя кинематически соединен с коленчатым валом.

3. Двигатель по п. 1, отличающийся тем, что привод нагнетателя выполнен в виде электродвигателя, а коленчатый вал снабжен датчиком частоты вращения, который подключен к электродвигателю через блок регулирования.

4. Двигатель по пп. 1 и 3, отличающийся тем, что дроссельная заслонка снабжена датчиком ее открытия, подключенным к блоку регулирования.

5. Двигатель по пп. 1-4, отличающийся тем, что нагнетатель снабжен байпасным трубопроводом, в котором размещен запорный орган, сблокированный с элементом для дозирования воздуха.

6. Двигатель по пп. 1-5, отличающийся тем, что запорный орган и элемент для дозирования воздуха сблокированы через блок регулирования с датчиком открытия дроссельной заслонки.

7. Способ работы двигателя по п. 1, характеризующийся впуском топливовоздушного заряда в цилиндр через впускной коллектор, впускной патрубок и впускной клапан, изменением количества заряда в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала, дозированием в магистраль питания воздуха и топлива для образования богатой смеси, которую направляют в форкамеру через впускной канал и вспомогательный впускной клапан, сжатием заряда в цилиндре, зажиганием богатой смеси в форкамере и воспламенением заряда в камере сгорания продуктами сгорания богатой смеси, отличающийся тем, что в магистрали питания воздух сжимают в нагнетателе и увеличивают его расход при увеличении частоты вращения коленчатого вала и при открытии дроссельной заслонки.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что расход сжатого воздуха увеличивают путем открытия элемента для дозирования воздуха.

9. Способ по пп. 7-8, отличающийся тем, что расход сжатого воздуха изменяют путем перепуска его части на впуск нагнетателя.

10. Способ по пп. 7-9, отличающийся тем, что расход сжатого воздуха увеличивают путем перепуска его части на впуск нагнетателя и открытия элемента для дозирования воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4