Поршневой двигатель внутреннего сгорания демидченко - попова с изобарным отводом теплоты

Изобретение относится к области двигателестроения и позволяет улучшить организацию рабочего цикла в двигателе, повысить термический коэффициент полезного действия, уменьшить уровень шума и сократить выбросы вредных веществ с отработавшими газами. Поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит два, четыре и более цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, и системы пуска, зажигания и газораспределения с блоком свечей зажигания или форсунок, впускных и выпускных клапанов и карбюратор. Характеризуется изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику, для чего снабжен коллектором, сообщенным через впускные клапаны с цилиндрами и через запорный орган с карбюратором. При этом последовательность функционирования впускных клапанов и запорного органа осуществляется газораспределительным валом при соответствующем положении поршня в одной из трех характерных точек с учетом разности длин хода поршня в процессах сжатия и расширения. Изобретение обеспечивает улучшение организации рабочего цикла, повышение термического КПД, уменьшение уровня шума и сокращение выбросов вредных веществ с отработавшими газами. 6 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к тепловым двигателям и может быть использовано при создании двигателя внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения транспортного и стационарного назначения.

Известный четырехтактный, карбюраторный двигатель внутреннего сгорания включает четыре и более цилиндров, связанных между собой в целях последовательного функционирования коленчатым валом, каждый из которых содержит газовые клапаны, камеру сгорания, поршень, совершающий выпуск продуктов сгорания и впуск, например, топливовоздушной смеси, адиабатное сжатие горючей смеси и адиабатное расширение продуктов сгорания при одинаковом ходе поршня.

Двигатели внутреннего сгорания объемного сжатия и расширения работают с изохорным отводом теплоты и, следовательно, неполным расширением продуктов сгорания. По результатам исследования [1, с.81] параметры состояния рабочего тела в конце расширения для карбюраторных двигателей составляют: P₄=0,4...0,6 МПа и Т₄=1400...1700 К. Потери механической работы за счет этого достигают 20%, а по термическому коэффициенту полезного действия - 15%. По этой же причине недостатком поршневых двигателей внутреннего сгорания является относительно высокий уровень шума. И еще один недостаток - токсичность выпускных газов. Он обусловлен низким эффективным КПД для двигателя внутреннего сгорания, значение которого, как известно специалистам, не превышает 10%.

Технический результат - улучшение организации рабочего цикла в двигателе, повышение термического коэффициента полезного действия, уменьшение уровня шума от работы поршневого двигателя внутреннего сгорания и сокращение выбросов вредных веществ с отработавшими газами.

Для достижения указанного технического результата поршневой двигатель внутреннего сгорания содержит два, четыре и более цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, и системы пуска, зажигания и газораспределения с блоком свечей зажигания впускных и выпускных клапанов и, возможно, карбюратор в случае бензинового двигателя, и отличается изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику, для чего он снабжен коллектором, сообщенным через впускные клапаны с цилиндрами и через запорный орган с карбюратором, при этом последовательность функционирования впускных клапанов и запорного органа управляется газораспределительным валом при соответствующем положении поршня в одной из трех характерных точек - верхней, нижней и промежуточной - с учетом разности длин хода поршня в процессах сжатия и расширения.

На фиг.1 изображен действительный цикл преобразования энергии с изохорным подводом теплоты от горячего источника и изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику при атмосферном давлении; на фиг.2...6 представлены основные фазы газообмена и схема работы поршневого двигателя внутреннего сгорания с изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику; в таблице приведены основные результаты расчета цикла Отто и цикла с изохорным подводом теплоты и изобарным отводом теплоты.

Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндров 1, 2, 3 и 4 с камерами сгорания 5, 6, 7 и 8, поршнями 9, 10, 11 и 12, впускными 13,14,15 и 16 и выпускными 17, 18,19 и 20 газовыми клапанами соответственно для впуска в камеры сгорания свежего заряда и выпуска продуктов сгорания из них в атмосферу, а также используемых для частичного перепуска топливовоздушной смеси или воздуха из цилиндров при подъеме поршня 9 или 10, или 11, или 12 от нижней мертвой точки (НМТ) 4 на высоту h (фиг.2), равную длине хода поршня в процессе 4-1 (фиг.1), перед последующим процессом сжатия 1-2 (фиг.1 и 2), в цилиндр 1 или 2, или 3, или 4, конкретно в тот из цилиндров, в котором при этом синхронно опускается поршень из верхней мертвой точки (ВМТ) до точки "b" (фиг.1) в процессе а-b (фиг.1 и 2)с последующим в этом ходе поршня в данном цилиндре впуском топливовоздушной смеси в процессе b-4 (фиг.1 и 2) из карбюратора 21 через запорный орган 22 одностороннего действия, открывающийся под действием разрежения, и коллектор 23, соединенный с каждым из цилиндров 1, 2, 3 и 4 соответствующим впускным клапаном 13, 14, 15 и 16, механизмами 24 газораспределения и зажигания для восприятия информации о трех фиксированных положениях поршня в каждом из цилиндров двигателя, управления перемещением газовых впускных и выпускных клапанов 13...20, запорного органа 22 и подачи сигнала на свечи зажигания 25, 26, 27 и 28.

Система пуска двигателя выполнена из источника постоянного тока в виде аккумуляторной батареи 29 и электродвигателя 30 с шестерней 31 на общем валу, соединенных друг с другом стартером 32 и управляемого элемента 33, расположенного в кабине транспортного средства, и коленчатого вала 34 с венцом 35.

Четырехтактный поршневой, например, карбюраторный двигатель внутреннего сгорания работает следующим образом. Пуск двигателя внутреннего сгорания осуществляется по стандартной схеме. По команде управления транспортным средством через управляемый элемент 33 от аккумуляторной батареи 29 включением замыкающего контакта электростартера 32 подается электрический ток на электрический двигатель 30 постоянного тока, шестерня 31 которого входит в зацепление с венцом 35 коленчатого вала 34. Момент времени, соответствующий началу вращения коленчатого вала, можно принять за исходное состояние. Начало же работы двигателя связано с наполнением одного из четырех цилиндров, в случае, например, карбюраторного двигателя, топливовоздушной смесью. Пусть таким цилиндром будет цилиндр 1. Его наполнение свежим зарядом происходит от карбюратора 21 через запорный орган 22 и впускной клапан 13 при опускании поршня 9 из ВМТ в низшую - процесс а-b-4 (фиг.1 и 2). Выпускной клапан 17 и впускные клапаны 14, 15 и 16 при этом закрыты, а выпускные клапаны 18, 19 и 20 открыты. С достижением поршнем 9 НМТ механизм 24 газораспределения принудительно закроет запорный орган 22 выпуска топливовоздушной смеси из карбюратора 21 и одновременно принудительно откроет клапан 14 впуска горючей смеси в цилиндре 2 двигателя, а клапан 18 закроет. При подъеме поршня 9 в цилиндре 1 из ПМТ (точка 4 на фиг.1) клапаны 13 и 14 остаются открытыми, а клапаны 17 и 18 закрытыми. Однако при подъеме поршня 9 из НМТ процесс сжатия топливовоздушной смеси в цилиндре 1 в течение фиксированного промежутка времени не происходит, так как клапан 13 открыт и с подъемом поршня 9 имеет место выпуск свежего заряда из цилиндра 1 через клапан 13 в коллектор 23, а из коллектора горючая смесь поступает в цилиндр 2. Поршень 10 в цилиндре 2 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 9. Соответствующий выпуск топливовоздушной смеси из цилиндра 1 в процессе подъема поршня происходит до уровня, определяемого положением поршня 9 в точке 1 (фиг.1), при котором механизм 24 газораспределения принудительно закроет впускной клапан 13. Положению поршня 9 в цилиндре 1 в состоянии 1 (фиг.1) соответствует положение поршня 10 в цилиндре 2 в состоянии "b" (фиг.1), при котором имеет место равенство разностей объемов v₄-v₁=v_b-v_a. Процесс 4-1, равный по протяженности хода поршня процессу а-b, частичной перегонки топливовоздушной смеси из цилиндра 1 в цилиндр 2, следует назвать процессом перепуска рабочего тела (РТ) из одного цилиндра (в данном случае и на рассматриваемом этапе работы двигателя это цилиндр 1), в котором перепуск предшествует процессу сжатия, в другой цилиндр (в данном случае и на рассматриваемом этапе работы двигателя это цилиндр 2), в котором перепуск РТ предшествует процессу впуска свежего заряда, обусловлен условием изобарного отвода теплоты, то есть тем, что объемы сжатия и расширения связаны с разной длиной хода поршня, в данном случае на рассматриваемом этапе работы двигателя, в цилиндре 1. Следует обратить внимание на то, что в рабочем режиме двигателя перепускается из цилиндра 1 в цилиндр 2 предварительно подогретая горючая смесь за счет теплообмена ее с горячим цилиндром 1.

Дальнейший подъем поршня 9 в цилиндре 1 приводит к сжатию свежего заряда, а синхронное опускание поршня 10 в цилиндре 2 от точки "b" (фиг.1) создает разрежение в цилиндре, под действием которого откроется запорный орган 22 и впуск топливовоздушной смеси будет продолжаться уже из карбюратора 21 через коллектор 23. Запорный орган 22 может быть открыт и принудительно с помощью последовательного срабатывания механизма газораспределения, как это показано на фиг.2, по окончании процесса а-b (фиг.1) перепуска РТ в цилиндре 2. Переход поршня 9 в цилиндре 1 из состояния 1 в состояние 2 означает окончание процесса сжатия 1-2 (фиг.1 и 2), когда с помощью механизма 24 зажигания принудительно осуществляется воспламенение рабочей смеси электрической искрой между элементами свечи зажигания 25 в камере сгорания 5. Горение топлива есть не что иное, как изохорный подвод теплоты в процессе 2-3. Теоретически этот процесс протекает очень быстро при неизменном пребывании поршня 9 в ВМТ. Одновременно поршень 10 в цилиндре 2 опустится до НМТ, то есть до точки 4 (фиг.1), что означает окончание процесса впуска свежего заряда в цилиндр 2. По достижении поршнем 10 НМТ сработает механизм газораспределения и это приведет к принудительному открытию клапана 16 и принудительному закрытию запорного органа 22 и выпускного клапана 20. Клапан 14 при этом остается открытым.

Вслед за цилиндром 1 и 2 в рабочий процесс включается цилиндр 4. С подъемом поршня 10 в цилиндре 2 (фиг.3) происходит перепуск топливовоздушиой смеси через клапан 16 в цилиндр 4. Поршень 12 в цилиндре 4 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 10. Перепуск горючей смеси из цилиндра 2 в цилиндр 4 происходит с подъемом поршня 10 в процессе 4-1, определяемого положением поршня 10 в точке 1 на фиг.1 и 3, при котором сработает механизм 24 газораспределения, что приведет к принудительному закрытию клапана 14 и принудительному открытию запорного органа 22. Далее в цилиндре 2 происходит сжатие рабочего тела, в цилиндре 4 - впуск свежего заряда из карбюратора 21 через открытый запорный орган 22, коллектор 23 и клапан 16, а в цилиндре 1 - адиабатное расширение продуктов сгорания в процессе 34 до давления окружающей среды (фиг.1 и 3) с производством работы - рабочий ход поршня 9. При достижении поршнем 9 НМТ сработает механизм 24 газораспределения, что приведет к принудительному открытию выпускного клапана 17 (фиг.4). Одновременно в цилиндре 2 закончится сжатие РТ. Поршень 10 достигает ВМТ и при этом с помощью механизма 24 зажигания воспламенится РТ в цилиндре. В этот же момент времени в цилиндре 4 поршень 12 опустится до НМТ и тем самым завершится процесс впуска топливовоздушной смеси (фиг.4). По достижении поршнем 12 НМТ сработает механизм 24 газораспределения и это приведет к принудительному открытию впускного клапана 15 и выпускного клапана 17 и принудительному закрытию запорного органа 22 и впускного клапана 19. Клапан 16 при этом остается открытым.

И, наконец, вслед за цилиндром 1, 2 и 4 в работу включается цилиндр 3. С подъемом поршня 12 в цилиндре 4 (фиг.4) происходит перепуск топливовоздушной смеси через клапан 16 в коллектор 23, а из коллектора через клапан 15 в цилиндр 3. Поршень 11 в цилиндре 3 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 12. Перепуск РТ из цилиндра 4 в цилиндр 3 происходит с подъемом поршня 12 в процессе 4-1 до уровня, определяемого положением поршня 12 в точке 1 на фиг.1 и 4, при котором срабатывает механизм 24 газораспределения, что приведет к принудительному закрытию клапана 16 и принудительному открытию запорного органа 22. Далее в цилиндре 4 происходит сжатие горючей смеси, в цилиндре 3 - впуск свежего заряда из карбюратора 21 через открытый запорный орган 22, коллектор 23 и клапан 15 (фиг.4), а в цилиндре 1 - выпуск продуктов сгорания через клапан 17 и механизм 24 газораспределения. В цилиндре 2 - рабочий ход, а в цилиндре 1 - выпуск продуктов сгорания в процессе 4-а. За рабочим ходом в цилиндре 2 следует выпуск отработавших газов из цилиндра (фиг.5) через клапан 18 и механизм 24 газораспределения; в цилиндре 3 в описанной последовательности происходит перепуск РТ через клапан 15 и затем коллектор 23 в цилиндр 1. Поршень 9 в цилиндре 1 при этом опускается синхронно с поднимающимся поршнем 11. Перепуск горючей смеси из цилиндра 3 в цилиндр 1 происходит с подъемом поршня 11 в процессе 4-1 до уровня, определяемого положением поршня 11 в точке 1 на фиг.1 и 5, при котором сработает механизм 24 газораспределения, что приводит к принудительному закрытию клапана 15 и принудительному открытию запорного органа 22. Далее в цилиндре 3 происходит сжатие РТ, а в цилиндре 1 - впуск топливовоздушной смеси из карбюратора 21 через открытый запорный орган 22, коллектор 23 и клапан 13 (фиг.5). Одновременно с началом процесса перепуска РТ из цилиндра 3 в цилиндр 1 начинается рабочий ход - процесс 3-4, в цилиндре 4 с производством положительной работы.

Затем система четырех цилиндров работает до возврата в исходное состояние (фиг.6) следующим образом. За рабочим ходом в цилиндре 3 следует выпуск продуктов сгорания из цилиндра 4, а в цилиндре 1 начинается перепуск РТ в цилиндр 2 с последующим сжатием РТ в цилиндре 1 и впуском топливовоздушной смеси в цилиндр 2 из карбюратора. Система и последовательность привода клапанов описана ранее.

Улучшение технико-экономических и экологических показателей двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты в сравнении с отечественными и зарубежными обусловлено изобарным отводом теплоты в стандартной конструкции двигателя внутреннего сгорания с изохорным подводом теплоты. Это подтверждается расчетами цикла с изохорным подводом и отводом теплоты (цикл Отто) и цикла с изохорным подводом и изобарным отводом теплоты, результаты которых представлены в таблице и на фиг.1.

Следует обратить внимание, что в расчете цикла Отто давление конца выпуска оказалось равным 0,36 МПа. В то время как согласно литературным данным [1, с.83] Р₄=0,4...0,6 МПа.

Источники информации:

1. Двигатели внутреннего сгорания: Учеб. для вузов/ Хачиян А.С., Морозов К.А., Луканин В.Н. и др.: Под ред. В.Н. Луканина. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш.шк., 1985. - 311 с.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, содержащий два, четыре и более цилиндров с поршнями, объединенных коленчатым валом, и системы пуска, зажигания и газораспределения с блоком свечей зажигания, впускных и выпускных клапанов и карбюратор, отличающийся изобарным отводом теплоты низкотемпературному источнику, для чего он снабжен коллектором, сообщенным через впускные клапаны с цилиндрами и через запорный орган с карбюратором, при этом последовательность функционирования впускных клапанов и запорного органа управляется газораспределительным валом при соответствующем положении поршня в одной из трех характерных точек - верхней, нижней и промежуточной - с учетом разности длин хода поршня в процессах сжатия и расширения.