Устройство топливно-универсального экологически чистого двигателя внутреннего сгорания с двухтактным рабочим циклом

Изобретение относится к поршневым двигателям внутреннего сгорания с двухтактным рабочим циклом. Технический результат заключается в возможности создания простого по конструкции устройства экологически безопасного и топливно-универсального двигателя с высокой удельной мощностью и низким удельным расходом топлива. Согласно изобретению двигатель содержит поршневой нагнетатель воздуха двойного действия, который обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания в обоих тактах рабочего цикла двигателя. Поршень нагнетателя воздуха расположен соосно с рабочим поршнем в одном общем цилиндре и жестко соединен с ним штоком. Камеры нагнетания воздуха разделены друг от друга перегородкой, выполненной в виде втулки и содержащей каналы, сообщающие верхнюю и нижнюю камеры нагнетателя воздуха с камерой сгорания. Шток, соединяющий поршни, выполнен в виде плунжера, который размещается в канале втулки и содержит отверстия в средней части для перепуска сжатого воздуха из верхней и нижней камер нагнетателя воздуха в камеру сгорания. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям поршневых двигателей внутреннего сгорания (ПДВС), используемых в качестве силовых установок во всех видах транспорта - автомобильном, воздушном, железнодорожном, морском и речном, также в сельскохозяйственных и строительных машинах, электростанциях, мотоциклах, нефтяной и газовой промышленностях и других гражданских и военных отраслях народного хозяйства во всех странах мира.

Известны ПДВС следующих типов, отличающихся:

1) по способу образования топливовоздушной смеси:

- с внешним смесеобразованием (карбюраторные) и

- с раздельным смесеобразованием (впрыском топлива);

2) по принципу зажигания топливо-воздушной смеси:

- с принудительным воспламенением (бензиновые) и

- с самовоспламенением от сжатия (дизельные);

3) по числу тактов рабочего цикла:

- четырехтактные и

- двухтактные;

4) по способу подачи воздуха в цилиндр:

- без наддува (всасом) и

- с наддувом от внешнего нагнетателя;

5) по способу охлаждения:

- водяного и

- воздушного.

Они состоят из цилиндра, поршня, камеры сгорания, коленчатого вала, шатуна, газораспределительного механизма с впускными и выпускными клапанами, маховика, систем подачи топлива, электрообеспечения, пуска, охлаждения и смазки.

Бензиновые ПДВС дополнительно состоят из карбюратора или устройств непосредственного (электронного) впрыска топлива и свечи зажигания, а дизельные - из топливного насоса высокого давления и распылительных форсунок (Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. - М.: Высш. школа, 1985, - 311 с.)

Бензиновые ПДВС имеют следующие недостатки:

- они предъявляют исключительно высокие эксплуатационные и экологические требования к качеству топлив, прежде всего к их фракционному и углеводородному составам. Нормальный бездетонационный режим горения и топливная экономичность достигаются применением высокооктановых бензинов, состоящих преимущественно из детонационностойких ароматических и изоалкановых углеводородов, для производства которых на НПЗ требуются дорогостоящие многостадийные каталитические процессы, такие как каталитический риформинг, алкилирование, изомеризация и другие, что уменьшает без того ограниченные ресурсы топлив и удорожает их производство и, кроме того, являющимися экологически токсичными по содержанию бензола, суммы ароматических и олефиновых углеводородов (Гуреев А.А., Фукс И.Г., Лашхи В.Л. Химмотология. - М.: Химия, 1986, - 368 с.);

- продукты сгорания бензинов, выбрасываемые в атмосферу, особенно двухтактными ПДВС, содержат в значительных количествах токсичные вещества, такие как оксид углерода (угарный газ), оксиды азота и несгоревшие углеводороды (бензол, формальдегид, ацетальдегид и др.) (Магарил Е.Р. Эксплуатационные и экологические свойства топлив для автомобильных двигателей. Екатеринбург: Урал Наука, 1999, - 176 с.).

Существенными недостатками дизельных ПДВС являются:

- большая их удельная масса, обусловливаемая проведением процесса горения топлива при высоких давлениях и степенях сжатия воздуха (ε=16-28);

- приспособленность дизелей к топливам с высокой самовоспламеняемостью, состоящим преимущественно из парафинонафтеновых углеводородов с цетановым числом 40-50 и с температурными пределами выкипания 200-360°С;

- в выпускных газах дизелей из токсичных компонентов главное место занимают оксиды азота (55-85% от суммарного индекса токсичности), не поддающиеся нейтрализации в каталитических окислительных нейтрализаторах.

Общим недостатком ПДВС является приспособленность их к топливам только одного типа, т.е. их монотопливность, что вынуждает производителей топлив выпускать десятки различных их марок, что в свою очередь существенно удорожает производство и снабжение потребителей моторных топлив.

Как наиболее важным недостатком из выше перечисленных, являющимся причиной лавинообразно возрастающего глобального экологического кризиса, следует признать недопустимо высокую токсичность выбросов ПДВС. По этой причине в настоящее время для производителей автотранспортных средств приняты жесткие экологические требования по нормам токсичности типа Евро I-IV. Первопричиной высокой токсичности выпускных газов дизелей является проведение процесса горения топлива с избытком воздуха (при коэффициенте избытка воздуха α=1,1-1,5), при высоких давлениях и температурах (соответственно 35-40 кгс/см², 500-700°С в конце такта сжатия и 80-150 кгс/см² и 1800-2000°С после самовоспламенения рабочей смеси), термодинамически и кинетически благоприятствующих образованию оксидов азота и, что положительно, более полному сгоранию топлива с незначительным образованием оксида углерода, тем самым повышению топливной экономичности двигателя. Чрезмерно жесткий термобарический режим в такте сжатия дизелей обусловливается повышенной температурой самовоспламеняемости дизельного топлива.

В отличие от дизелей воспламенение рабочей смеси в бензиновых двигателях осуществляется принудительно искровым зажиганием при менее жестком термобарическом режиме в конце такта сжатия: при давлении 6-10 кгс/см² и температуре 350-500°С. Первопричиной токсичности выпускных газов двигателей с искровым зажиганием является неполный дожиг топлива с образованием оксида углерода и несгоревших углеводородов в результате проведения процесса бездетонационного горения рабочей смеси без достаточного избытка воздуха следующего состава: α=0,7-0,9 на режиме полной нагрузки и 0,9-1,15 на малых и средних нагрузках двигателя, т.е. топливовоздушной (т.в.) смеси состава, соответствующего верхним и нижним пределам воспламенения бензиновоздушной смеси.

Известны также ПДВС с наддувом - подачей в камеру сгорания в такте всаса сжатого воздуха, применяемым для повышения удельной мощности двигателя. Однако наддув практически не оказывает влияния на экологические характеристики выпускных газов двигателей.

Известно сложное по конструкции устройство двухтактного ПДВС с нагнетателем двойного действия для подачи в камеру сгорания дополнительного заряда топливовоздушной смеси и тем самым обеспечивающим увеличение удельной мощности двигателя (Скрипов Ю.Н. Патент РФ №2066379 «Двухтактный двигатель внутреннего сгорания», опубликованный 10.09.1996, Бюл. №25). Однако в нем не обеспечиваются топливные универсальность и экономичность, а также экологичность отработавших газов.

Известен топливно-универсальный и экологичный четырехтактный ДВС с искровым зажиганием с внешним поршневым нагнетателем воздуха для осуществления двухстадийного сгорания топливовоздушной смеси, разработанный В.М.Кушулем (Кушуль В.М. Знакомьтесь - двигатель нового типа. - Л.: Судостроение, 1966, 120 с.). Существенными недостатками двигателя Кушуля В.М. являются усложнение его конструкции, удвоение требуемого количества цилиндров с поршнями и кривошипно-шатунными механизмами и увеличение объема и массы двигателя.

Ближайшим к изобретению по технической сущности прототипом является универсальный экологичный четырехтактный ДВС, предложенный Ахметовыми С.А. и С.С. (Ахметов С.А., Ахметов С.С., Патент РФ №2220301 «Устройство универсального экологически чистого поршневого двигателя внутреннего сгорания», опубл. 27.12.2003, Бюл. №36).

Двигатель содержит поршневой нагнетатель воздуха двойного действия, который обеспечивает подачу воздуха в камеру сгорания во всех четырех тактах рабочего цикла. Поршень нагнетателя воздуха расположен соосно с рабочим поршнем в одном общем цилиндре и жестко соединен с ним штоком, а камеры воздухонагнетателя разделены друг от друга перегородкой. Перед концом такта сжатия в нагретый от сжатия в камере сгорания воздух впрыскивается в топливо, не имеющее ограничений по детонационной стойкости и воспламеняемости, с образованием богатой топливовоздушной смеси, которая воспламеняется от свечи зажигания и полностью сгорает без детонации и образования токсичных газов при непрерывной подаче в камеру сгорания сжатого воздуха. Недостатком ПДВС по прототипу является проведение его рабочего цикла с излишне обильным расходом воздуха, на сжатие которого расходуется часть полезной мощности двигателя, а также применение усложненной системы газо- и воздухораспределения между камерой сгорания и воздухонагнетательными (ВН) камерами.

Достигаемый в четырехтактном двигателе по прототипу полезный технический результат (топливная универсальность, высокая удельная мощность и др.) можно существенно улучшить без ухудшения его экологичности применением его конструктивного аналога с двухтактным рабочим циклом.

Задачей предлагаемого изобретения является создание более простого по конструкции и в обслуживании устройства экологически чистого, топливно-универсального и топливно-экономичного двухтактного двигателя с высокой удельной мощностью, малыми габаритами и массой.

Указанный технический результат достигается тем, что предложенное устройство содержит цилиндр, основной (рабочий) поршень двойного действия, дополнительный поршень, жестко соединенный с рабочим поршнем соосно штоком, камеру сгорания, две ВН камеры, перегородку, изолирующую их друг от друга, свечу зажигания, форсунку, шатун, коленчатый вал, маховик, системы подачи топлива, электрообеспечения, смазки, пуска и охлаждения. В отличие от прототипа в предложенном устройстве перегородка, изолирующая ВН камеры друг от друга, выполнена в виде втулки, которая содержит вертикальный сквозной шлифованный канал, в котором размещен шток-плунжер, совершающий возвратно-поступательные движения от кривошипно-шатунного механизма, выполненный в виде шлифованной снаружи трубки с открытым и закрытым концами со стороны соответственно камеры сгорания и картерной камеры и с отверстиями в средней его части. Кроме того, втулка содержит боковые каналы для перепуска через отверстия плунжера сжатого воздуха из верхней и нижней ВН камеры в камеру сгорания. На стенке цилиндра на уровне чуть выше НМТ для рабочего поршня имеется окно для выпуска отработавших газов. Головка содержит впускной патрубок с обратным клапаном для продувки камеры сгорания и наполнения ее воздухом.

Принципиальная схема устройства предлагаемого ДВС с двухтактным рабочим циклом показана на чертеже. Оно состоит из цилиндра 1 с выпускным окном 2, рабочего поршня 3, дополнительного поршня нагнетателя воздуха 4, камеры сгорания 5, верхней и нижней ВН камер 6 и 7, головки цилиндров 8 с расположенными на ней форсункой 9, свечой зажигания 10, впускным патрубком 11, обратным клапаном 12, шатуна 13 и из не показанных на чертеже коленчатого вала, систем подачи топлива с насосом высокого давления, смазки, пуска, охлаждения и маховика, и согласно изобретению содержит перегородку-втулку 14 с каналами 15 и 16, шток-плунжер 17с отверстиями 18 и 19, размещенный в канале 20 перегородки-втулки 14, воздуховсасывающий коллектор с патрубками 21 с обратными клапанами 22.

Устройство работает следующим образом. При возвратно-поступательном движении поршней 3 и 4 осуществляется поочередное наполнение ВН камер 6 и 7 воздухом и вытеснение его в следующем такте в камеру сгорания 5 либо через канал 15 или через канал 16 в перегородке-втулке 14 и далее отверстие 18 или 19 штока-плунжера 17, а также выпуск отработавших газов через окно 2 в атмосферу.

Рабочий цикл двигателя состоит из периодически повторяющихся следующих двух тактов: такта сжатия воздуха, впрыска топлива с нагнетанием (наддувом) дополнительного заряда воздуха, воспламенения топливно-воздушной смеси от свечи зажигания и такта с рабочим циклом, выпуском отработавших газов, продувкой и наполнением рабочего цилиндра воздухом.

I. В первом такте при движении рабочего поршня 3 от НМТ к ВМТ происходит: 1) всасывание воздуха в верхнюю ВН камеру 6; 2) одновременное сжатие воздуха в камере сгорания 5 и нижней ВН камере 7; 3) непрерывное вытеснение воздуха из нижней ВН камеры 7 в камеру сгорания 5 через канал 15 в перегородке-втулке 14 в результате более интенсивного нарастания давления в камере 7 (поскольку в ней степень сжатия (ε→∞) значительно выше, чем в камере сгорания); 4) перед концом сжатия насосом высокого давления и форсункой особой конструкции 9 (топливно-воздушного впрыска) осуществляется впрыск топлива в нагретый от адиабатического сжатия воздух с образованием богатой тонкодиспергированной топливно-воздушной смеси (α≈0,7-0,9) и воспламенение ее свечой зажигания 10 за 10-15° о.к. в. до прихода рабочего поршня к ВМТ.

II. Во втором такте при движении рабочего поршня 3 от ВМТ к НМТ происходит: 1) всасывание воздуха в нижнюю ВН камеру 7; 2) после воспламенения богатая топливно-воздушная смесь быстро сгорает, в результате резко повышаются температура, а также давление газов над рабочим поршнем, которое передается на поршень, перемещая его от ВМТ к НМТ, тем самым совершается полезная работа; 3) в результате расширения объема рабочего цилиндра давление над поршнем 3 постепенно снижается, а в верхней ВН камере 6 - наоборот, интенсивно повышается от сжатия воздуха; 4) после выравнивания давлений в обеих камерах осуществляется вторая ступень процесса горения топливно-воздушной смеси в результате перепуска воздуха в камеру сгорания 5 из верхней ВН камеры 6 через канал 16 перегородки-втулки 14 и отверстие 19 плунжера 17; 5) вторая ступень горения происходит при интенсивном и непрерывном нагнетании (наддува) воздуха и обеднении рабочей смеси, при этом в результате полного и бездетонационного догорания продуктов первой ступени горения, содержащих в значительных количествах оксида углерода и несгоревших углеводородов, температура и давление над рабочим поршнем 3 вновь повышаются; 6) не доходя до НМТ поршня 3 открывается выпускное окно 2 цилиндра и отработавшие газы двигателя выбрасываются в атмосферу; 7) одновременно с выпуском осуществляется вытеснение остаточных продуктов сгорания (продувка) и наполнение рабочего объема цилиндра и камеры сгорания воздухом через впускной патрубок 11.

Работа поршневого двигателя с нагнетателем воздуха двойного действия в двухтактном режиме позволяет:

1) увеличить по сравнению с двух- и четырехтактными ДВС с одним поршнем мощность и крутящий момент предлагаемого двигателя более чем соответственно в 2 и 4 раза;

2) использовать в качестве горючего бензиновые, керосиновые и дизельные топлива и их смеси без ограничений и детонационной стойкости и воспламеняемости, а также альтернативные топлива (сжатый или сжиженный природные газы, водород, спирты и эфиры) и, что исключительно важно, значительно упростить технологию переработки углеводородного сырья и удешевить производство и увеличить ресурсы моторных топлив;

3) существенно оздоровить воздушный бассейн городов и сел;

4) отказаться от применения каталитических нейтрализаторов отработавших газов двигателя.

1. Устройство топливно-универсального экологически чистого поршневого двигателя внутреннего сгорания с двухтактным рабочим циклом, содержащее цилиндр, рабочий поршень двойного действия и дополнительный воздухонагнетательный поршень, соединенные между собой соосно в цилиндре штоком, камеру сгорания, две воздухонагнетательные камеры, перегородку, головку цилиндров, впускной патрубок, свечу зажигания, форсунку, воздуховсасывающий коллектор, шатун, коленчатый вал, маховик, системы подачи топлива, электрообеспечения, смазки, пуска и охлаждения, отличающееся тем, что перегородка, изолирующая воздухонагнетательные камеры друг от друга, выполнена в виде втулки, содержащей вертикальный сквозной и боковые каналы, сообщающие верхнюю и нижнюю воздухонагнетательные камеры с камерой сгорания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что шток, жестко соединяющий рабочий и дополнительный воздухонагнетательные поршни друг с другом, выполнен в виде размещенного в вертикальном канале втулки плунжера, содержащего отверстия в средней части для перепуска сжатого в верхней и нижней воздухонагнетательной камерах воздуха в камеру сгорания.