Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к разработке, созданию и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания, работающих с разделением рабочего объема двигателя на камеры нагнетания и сгорания. В способе работы недорасширившуюся среду из камеры нагнетания направляют в аккумулирующую емкость для того, чтобы использовать часть потенциальной энергии этой среды в процессе наполнения цилиндра путем возврата ее из аккумулирующей емкости в камеру нагнетания на такте наполнения. Кроме того, цель достигается тем, что саккумулированную среду охлаждают перед тем, как направить ее в камеру нагнетания. В устройстве цель изобретения достигается тем, что в цилиндре устанавливается дополнительный ряд сквозных окон, которые соединены магистралью с герметичной, расположенной вне рабочего объема цилиндра аккумулирующей емкостью, которую можно сообщать или разобщать с камерой нагнетания при помощи клапана, установленного на этой магистрали. Изобретение обеспечивает повышение цилиндровой мощности двигателя. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к разработке, созданию и эксплуатации поршневых двигателей внутреннего сгорания, в первую очередь с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия.

В настоящее время известен способ работы ДВС, включающий раздельное сжатие среды с окислителем в камере нагнетания и горячих газов в камере сгорания с превышением давления среды с окислителем и последующей подачей этой среды в камеру сгорания, в которую предварительно подано топливо, причем передачу энергии расширения продуктов сгорания на вал двигателя осуществляют через сжимаемую среду, не участвующую в сгорании, а в процессе наполнения двигателя свежей порцией окислителя исключают контакт этой среды с горячими газами камеры сгорания.

Указанный способ работы описан в патенте 2146007 от 27.02.2000, МПК F 02 В 3/4, 25/10.

Известны также способы работы ДВС с использованием энергии отработанных газов для обеспечения принудительной подачи свежей порции окислителя (например, турбонаддув). Такие способы работы описаны например в кн. Двигатели внутреннего сгорания. Теория и методы расчета. - М.: Энергоиздат, 1987.

Известно также устройство ДВС, состоящее из двух поршней, один из которых кинематически связан с валом двигателя, а второй разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания и перемещается под действием разности давлений в этих камерах и имеет возможность сообщать эти камеры, только для подачи в камеру сгорания свежей порции окислителя, причем оба поршня совершают возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, который имеет сквозные окна, связанные с магистралью подачи свежей порции окислителя.

Указанное устройство описано в патенте 2146007 от 27.02.2000, МПК F 02 В 3/4, 25/10.

За прототип приняты способ работы и устройство по патенту 2146007 как соответствующие наибольшему числу совпадающих признаков.

Недостатком данного способа работы и устройства двигателя внутреннего сгорания является ограниченная цилиндровая мощность.

Целью изобретения является увеличение цилиндровой мощности двигателя.

В способе работы указанная цель достигается тем, что в завершающей стадии процесса расширения часть среды из камеры нагнетания направляют в аккумулирующую емкость, удаление отработанных газов из камеры сгорания двигателя производят без или с использованием их энергии для обеспечения принудительной подачи свежей порции окислителя при завершении заполнения аккумулирующей емкости, которую подключают к нагнетательной камере или в стадии завершения наполнения камеры нагнетания свежей порцией окислителя от естественного источника или (и) перед началом принудительной подачи свежей порции окислителя.

Кроме того, указанная цель достигается тем, что саккумулированную среду с окислителем охлаждают перед подачей ее в нагнетательную камеру.

В устройстве указанная цель достигается тем, что стенки цилиндра двигателя имеют дополнительный ряд сквозных окон, которые посредством магистрали с клапаном соединены с охлаждаемой герметичной емкостью, причем эти окна установлены так, что в процессе наполнения аккумулирующая емкость подключается к цилиндру двигателя до подачи свежей порции окислителя от принудительного источника или после подачи свежей порции окислителя от естественного источника.

На фиг.1 представлена диаграмма процессов для схемы подачи свежей порции окислителя от естественного источника, т.е. без использования энергии отработанных газов. На фиг.2 представлена диаграмма процессов для схемы подачи свежей порции окислителя от принудительного источника, т.е. с использованием энергии отработанных газов. На фиг.3 представлена диаграмма для совмещенной подачи свежей порции окислителя от естественного и принудительного источников. Основное внимание при этом уделено первым двум, поскольку третья схема является обобщающей.

На фигурах приняты следующие обозначения и сокращения: Акк - герметичная аккумулирующая емкость; ОГ - отработанные газы; Охл - охладитель; Спо - свежая порция окислителя; Пр - устройство принудительной подачи свежей порции окислителя.

Тонкая кривая представляет траекторию перемещения основного поршня (СП), кинематически связанного с валом двигателя, координаты которого обозначаются буквами Н, а жирная кривая представляет траекторию перемещения автономного поршня (АП), не связанного с валом двигатели, координаты которого обозначаются буквами h.

По оси абсцисс откладывается угол поворота коленчатого вала двигателя (^oПКВ), а по оси ординат - соответствующие координаты: 1.0 - полная высота рабочего цилиндра; 0.0 - начальная точка отсчета положения поршней. Для ОП эта координата соответствует НМТ; h - координата положения АП на упорах; hв - координаты АП в процессе выпуска среды из камеры нагнетания;
hн - координаты АП в процессе наполнения камеры нагнетания;
', " - относятся соответственно к началу и окончанию подключения аккумулирующей емкости к камере нагнетания;
hп - координата АП в момент отключения камеры нагнетания от принудительного источника подачи свежей порции окислителя (фиг.2 и 3);
ho - координата АП в момент начала наполнения камеры нагнетания свежей порцией окислителя oт естественного источника (фиг.1 и 3 );
Н - координата при положении ОП в ВMТ;
Н0 - координата верхней кромки 1-го ряда окон;
H1 - координата нижней кромки 2-го ряда окон (фиг. 3);
Н2 - координата верхней кромки 2-го ряда окон;
H3 - координата верхней кромки 3-го ряда окон (фиг. 3);
h5 и Н5 координаты положений АП и ОП соответственно в начальный момент выпуска отработанных газов.

Ординаты 1,2...13 отмечают условные границы отдельных процессов цикла.

Справа от диаграмм на фиг.1 и 2 схематично представлены устройства предлагаемых ДВС, совмещенные с этими диаграммами. На схемах приняты следующие обозначения:
1 - корпус цилиндра ДВС;
2 - 1-й ряд окон цилиндра;
3 - 2-й ряд окон цилиндра;
4 - клапан для сообщения (разобщения) камеры нагнетания и аккумулирующей емкости;
5 - герметичная аккумулирующая емкость;
6 - основной поршень (ОП), связанный кинематически с валом двигателя при помощи шатуна (на фигурах не показан);
7 - автономный поршень (АП);
8 - клапан выпуска отработанных газов.

Фиг. 1 схематично представляет конструкцию устройства без использования энергии отработанных газов, в которой подача свежей порции окислителя осуществляется от естественного источника, например из атмосферы.

Фиг. 2 схематично представляет конструкцию устройства с использованием энергии отработанных газов для обеспечения принудительной подачи свежей порции окислителя, например турбонаддув.

Основное внимание при анализе процессов уделено отличиям заявленного способа и устройства от прототипов. Поэтому процессы и элементы, которые не претерпели изменений, подробно не рассматриваются, а просто обозначаются.

Анализ процессов удобнее начинать с момента начала сгорания и основного тепловыделения, как это принято на фиг.1, 2 и 3.

Процесс сгорания.

Представлен на диаграммах ординатами 1 (начало) и 2 (окончание).

Расширение продуктов сгорания.

Процесс начинается после ординат 2 и заканчивается на ординатах 3.

Поскольку в дальнейшем появляются различия, анализ целесообразно проводить отдельно для каждой из схем подачи свежей порции окислителя: с подачей от естественного источника - фиг.1 и с принудительной подачей - фиг.2.

Наполнение аккумулирующей емкости.

На фиг. 1 процесс начинается на завершающей стадии такта расширения с момента, когда ОП 6, при движении в сторону НМТ, приходит в положение Н2 и открывает окна второго ряда 3 (Н2...Н0). Камера нагнетания сообщается с аккумулирующей емкостью 5. Поскольку давление в камере нагнетания больше, среда из камеры нагнетания может поступать в аккумулирующую емкость. Для этого необходимо, чтобы клапан 4 был открыт.

Наполнение аккумулирующей емкости может продолжаться в течение периода времени, соответствующего прохождению ОП 6 обоих рядов окон (Н2...0.0...Н2), или до момента выравнивания давлений в аккумулирующей емкости и камере нагнетания, или до закрытия клапана 4. В случае, представленном на фиг.1, завершение наполнения аккумулирующей емкости отмечено ординатой 4, когда ОП 6 переходит от второго ряда окон (3) к первому (2) и клапан 4 закрывается. При этом АП 7 перемещается из положения h'в в положение h"в. Также необязательно, чтобы границы окон 2 и 3 совпадали, как это принято на той же фиг.1.

После прохождения координаты Н0, ОП 6 открывает окна первого ряда 2 (H0. . . 0.0), которые в данном случае должны быть отключены от магистрали подачи свежей порции окислителя. Магистраль подачи свежей порции окислителя должна быть отключена от камеры нагнетания и при движении ОП в обратном направлении от НМТ до Н0.

На фиг.2 процесс начинается с момента, когда ОП 6, при движении в сторону НМТ, проходит положение Н0 и открывает окна первого ряда 2, тем самым камера нагнетания сообщается с аккумулирующей емкостью 5. Поскольку давление в камере нагнетания больше, среда из камеры нагнетания поступает в аккумулирующую емкость.

До этого момента ОП проходит зону второго ряда окон 3 (подачи свежей порции окислителя от принудительного источника) в диапазоне координат Н2...Н0, и поэтому камера нагнетания и магистраль подачи свежей порции окислителя должны быть разобщены.

Завершается наполнение аккумулирующей емкости 5, когда ОП 6 при своем движении в обратную сторону от НМТ полностью перекроет окна первого ряда 2 (координата Н0) или раньше, при закрытии клапана 4, или при выравнивании давлении в камере нагнетания и аккумулирующей емкости. На фиг.2 завершение наполнения аккумулирующей емкости отмечено ординатой 4, при этом АП 7 перемещается из положения h'в в положение h"в.

Выпуск отработанных газов.

Процесс начинается с момента открытия клапана выпуска отработанных газов 8. При этом отработанные газы камеры сгорания могут либо удаляться без использования их энергии, например сбрасываться в атмосферу, либо с использованием их энергии для обеспечения принудительной подачи свежей порции окислителя в камеру нагнетания, например направляться на турбину компрессора турбонаддува.

На диаграммах выпуск отработанных газов отмечен в верхней части стрелками с собирающей скобкой. Поскольку повышенное давление может сохраняться в камере сгорания достаточно долго, то процесс выпуска может заходить за ВМТ, что и отображено на обеих фигурах.

На фиг. 1 процесс начинается с ординаты 5 (координаты основного и автономного поршней Н5 и h5 соответственно), а на фиг.2 с ординаты 4 (координаты поршней Н0 и h"в). Завершение процесса выпуска отмечено ординатами 7 и (6). Здесь и далее цифры без скобок относятся к схеме фиг.1, а в скобках к схеме фиг.2.

Создание разряжения в цилиндре.

В обеих схемах процесс проходит одинаково, при движении ОП в сторону НМТ от ординат 7 (6) до ординат 8 (7). Завершается этот процесс, когда ОП 6, перед тем как подойти к 1-му ряду окон, проходит зону окон 2-го ряда, которые должны быть отключены от своих магистралей. Т.о. для схемы подачи свежей порции окислителя от естественного источника (фиг.1) от камеры нагнетания должна быть отключена аккумулирующая емкость, а для принудительной подачи (фиг.2) должна быть отключена магистраль подачи свежей порции окислителя.

Наполнение камеры нагнетания цилиндра
На фиг. 1 процесс состоит из двух этапов - наполнения от естественного источника свежей порции окислителя (ординаты 8...9, редкая штриховка) и наполнения от аккумулирующей емкости (ординаты 9...10, плотная штриховка).

Процесс начинается после того, как при движении в сторону НМТ, ОП 6 открывает окна первого ряда 2 (Н0...0.0) и может продолжаться в течение периода времени, соответствующего перемещению поршня 6 между координатами Н0.. 0,0. . . Н0. Поскольку в камере нагнетания создано разряжение, свежая порция окислителя от естественного источника (например, воздух из атмосферы) будет поступать в камеру нагнетания. Наполнение будет осуществляться до тех пор, пока не выравняются давления камеры нагнетания и естественного источника или ОП 6, при своем движении в обратную сторону от НМТ не перекроет окна 2 (координата Н0 на ординате 9), или не будут принудительно отключена камера нагнетания от соответствующей магистрали. При этом АП 7 переместится из положения h0 в положение h'н.

Вторая часть наполнения камеры нагнетания осуществляется от аккумулирующей емкости. Этот процесс осуществляется, когда ОП 6, двигаясь от НМТ, попадает в район окон второго ряда 3 (Н0...Н2), связанных с аккумулирующей емкостью 5 и при открытом клапане 4 среда из аккумулирующей емкости начнет поступать в камеру нагнетания (дозарядка). Для обеспечения процесса дозарядки необходимо вовремя открыть клапан 4. При этом АП совершает перемещение из положения h'н в положение h"н. Весь процесс наполнения камеры нагнетания завершается на ординате 10.

На фиг.2 процесс наполнения также состоит из двух этапов - наполнение от аккумулирующей емкости (ординаты 7...8, редкая штриховка) и наполнение от принудительного источника (ординаты 8...9, плотная штриховка).

Процесс начинается после того, как при движении к НМТ ОП 6 входит в зону окон второго ряда 2 (Н0...0.0), связанных с аккумулирующей емкостью 5. При открытом клапане 4 в камеру нагнетания начинает поступать среда из аккумулирующей емкости. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока ОП6 при своем движении находится в районе первого рядя окон (Н0...0.0...H0), или до момента выравнивания давлений в камере нагнетания и аккумулирующей емкости, или до закрытия клапана 4. При этом АП7 переместится из положения h'н в положение h"н. Процесс заканчивается на ординате 8.

Вторая часть наполнения камеры нагнетания осуществляется, когда ОП 6 при своем движении от НМТ пройдет координату Н0 и продолжит свое движение в зоне второго ряда окон 3 (Н0...Н2). Для наполнения камеры нагнетания необходимо, чтобы давление свежей порции окислителя превышало давление, установившееся в камере нагнетания после наполнения ее от аккумулирующей емкости. С этой целью можно использовать энергию отработанных газов, для чего газы из камеры сгорания направляются на устройство принудительной подачи свежей порции окислителя ( верхняя часть диаграммы фиг.2 - Пр).

Поступая в камеру нагнетания, свежая порция окислителя перемещает АП с положения h"н в положение hп. Весь процесс наполнения камеры нагнетания заканчивается на ординате 9.

Следует отметить, что здесь, как и в процессах наполнения аккумулирующей емкости (ординаты 3...4), окна 1-го и 2-го рядов не обязательно должны четко чередоваться, как это представлено на фиг.1, а могут быть разнесены по высоте или незначительно перекрываться.

Сжатие.

Процессы равномерного сжатия занимают участки между ординатами 10(9)... 11(10), а досжатие среды в камере нагнетания между ординатами 11(10)...1(1) для фиг.1 и (2) соответственно.

С ординаты 1 цикл повторяется вновь.

Предлагаемый способ работы ДВС можно реализовать, объединив две, описанные выше схемы подачи свежей порции окислителя. Это возможно в случае, когда после наполнения аккумулирующей емкости, в конце такта расширения, энергия газов камеры сгорания остается достаточно значительной и может быть дополнительно использована для обеспечения принудительной подачи свежей порции окислителя.

На фиг.3 представлена схема, в которой наполнение камеры нагнетания производят не в два (фиг.1 и .2), а в три этапа: от естественного источника свежей порции окислителя, от аккумулирующей емкости и от принудительного источника, использующего энергию отработанных газов. Соответственно должны быть предусмотрены три уровня сообщения(разобщения) камеры нагнетания с соответствующими магистралями подача свежей порции окислителя и аккумулирующей емкостью:
1-й уровень - подача свежей порции окислителя от естественного источника. ОП 6 проходит зону Н0...0.0...Н0, где окна связаны с магистралью подачи свежей порции окислителя от естественного источника (на диаграмме - Спо(е) в нижней части);
2-й уровень - наполнение камеры нагнетания от аккумулирующей емкости. ОП6 проходит зону H1...H2, где окна связаны с аккумулирующей емкостью (линия со стрелкой в нижней части диаграммы);
3-й уровень - подача свежей порции окислителя от принудительного источника. ОП6 проходит зону Н2. . .Н3, где окна связаны с магистралью подачи свежей порции окислителя от принудительного источника (на диаграмме - Спо(п) в верхней части).

Индексы (е) и (п) обозначают подачу свежей порции окислителя от естественного и от принудительного источников соответственно.

Устройство ДВС схематично представлено на фиг.1 и 2, справа от диаграмм, состоит из одинаковых элементов и практически повторяет устройство, описанное в прототипе. Исключение составляют следующие элементы:
- дополнительные ряды сквозных окон в стенках цилиндров, связанных с аккумулирующей емкостью: окна второго ряда(3), на фиг.1 и окна первого рядя (2) на фиг.2 ;
- клапан 4 на магистрали, связывающий камеру нагнетания цилиндра с аккумулирующей емкостью;
- аккумулирующая емкость 5.

Аккумулирующая емкость 5, выполненная в виде герметичной емкости, расположенной вне рабочего объема цилиндра двигателя, с возможностью охлаждения среды, находящейся в ней. Цилиндр двигателя 1 имеет два ряда окон, причем в разных схемах 1-й и 2-й ряды окон, считая по ходу движения ОП6 oт HMT, подключаются к разным магистралям. Окна 1-гo и 2-го рядов на фигурах разнесены по высоте для наглядности и упрощения описания, хотя это не принципиально. В схеме с принудительной подачей свежей порции окислителя (фиг.2) первый ряд окон 2 связан с аккумулирующей емкостью 5, а в схеме с подачей от естественного источника (фиг.1) с аккумулирующей емкостью связаны окна второго ряда 3.

Аккумулирующая емкость и дополнительные окна камеры нагнетания соединены между собой магистралью, на которой установлен клапан 4, который служит для сообщения (разобщения) камеры нагнетания и аккумулирующей емкости.

Устройство работает следующим образом.

После такта сжатия, который завершается при нахождении ОП6 в ВМТ, начинается процесс сгорания (на фиг. 1 и 2 - ординаты 1...2) и поршни 6 и 7 начинают перемещаться в сторону НМТ.

Такт расширения осуществляется при движении поршней в том же направлении (ординаты 2...3), и когда ОП6 достигает окон 2-го ряда, то:
- в схеме по фиг.1 эти окна сообщают камеру нагнетания и аккумулирующую емкость. Клапан 4 открыт. Среда из камеры нагнетания, еще не успевшая полностью расшириться, поступает в аккумулирующую емкость, аккумулируя часть потенциальной энергии среды камеры нагнетания:
- в схеме по фиг.2 эти окна должны быть отключены от цилиндра двигателя.

Когда ОП6 достигает окон 1-го ряда, то:
- в схеме по фиг.1 эти окна должны быть отключены от цилиндра двигателя;
- в схеме по фиг.2 эти окна должны быть подключены к аккумулирующей емкости для ее наполнения недорасширившейся средой из камеры нагнетания. При этой схеме окна 1-го ряда будут открыты до момента их перекрытия при движении ОП6 в обратном направлении от НМТ к ВМТ.

Такт выпуска отработанных газов должен происходить, когда оба ряда окон отключены от своих магистралей, а клапан выпуска отработанных газов 8 открыт. На диаграммах этот процесс расположен между ординатами 5(4)...7(6) и изображен в верхних частях диаграмм стрелками с собирающей скобкой.

После выпуска отработанных газов и создания разряжения в цилиндре двигателя начинается процесс наполнения цилиндра свежей порцией окислителя. Этот процесс начинается при движении ОП 6 к НМТ в зоне окон 1-го ряда (ординаты 8(7)), после прохождения зоны окон 2-го ряда, которые в этом процессе должны быть отключены. В этом случае к камере нагнетания подключается либо магистраль свежей порции окислителя от естественного источника ( схема фиг.1), либо аккумулирующая емкость 5 ( схема фиг.2).

После того как поршень 6 достигнет НМТ и начнет перемещаться от НМТ к ВМТ, то по ходу движения вначале он перекроет окна 1-гo, а затем 2-го ряда. При этом:
- для схемы по фиг. 1 аккумулирующая емкость подключается к цилиндру двигателя после подачи свежая порция окислителя от естественного источника;
- для схемы по фиг. 2 аккумулирующая емкость подключается к цилиндру двигателя до подачи свежая порция окислителя от принудительного источника.

Описанные выше способ и устройство объясняются на базе 4-тактных двигателей, но могут быть распространены и на 2-тактные с сокращениями периодов соответствующих процессов.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания, включающий раздельное сжатие среды с окислителем в камере нагнетания и горячих газов в камере сгорания, с превышением давления среды с окислителем и последующей подачей этой среды в камеру сгорания, в которую предварительно подано топливо, причем передачу энергии расширения продуктов сгорания на вал двигателя осуществляют через сжимаемую среду, не участвующую в сгорании, а в процессе наполнения двигателя свежей порцией окислителя исключают контакт этой среды с горячими газами камеры сгорания, отличающийся тем, что в завершающей стадии процесса расширения часть среды из камеры нагнетания направляют в аккумулирующую емкость, удаление отработанных газов из камеры сгорания двигателя производят без или с использованием их энергии для обеспечения принудительной подачи свежей порции окислителя при завершении заполнения аккумулирующей емкости, которую подключают к нагнетательной камере или в стадии завершения наполнения камеры нагнетания свежей порцией окислителя от естественного источника или(и) перед началом принудительной подачи свежей порции окислителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что аккумулированную среду с окислителем охлаждают до подачи ее в нагнетательную камеру.

3. Устройство двигателя внутреннего сгорания, состоящее из двух поршней, один из которых кинематически связан с валом двигателя, а второй разделяет рабочий объем цилиндра на камеры нагнетания и сгорания и перемещается под действием разности давлений между камерами и имеет возможность сообщать эти камеры только для подачи в камеру сгорания свежей порций окислителя, причем оба поршня совершают возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, который имеет сквозные окна, связанные с магистралью подачи свежей порции окислителя, отличающееся тем, что стенки цилиндра двигателя имеют дополнительный ряд сквозных окон, которые посредством магистрали с клапаном соединены с охлаждаемой герметичной емкостью, причем эти окна установлены так, что в процессе наполнения аккумулирующая емкость подключается к цилиндру двигателя до подачи свежей порции окислителя от принудительного источника или после подачи свежей порции окислителя от естественного источника.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3