Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания и устройство для реализации этого способа

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в создании новых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с регулируемым наддувом. Технический результат заключается в повышении литровой (удельной) мощности, снижении удельного расхода топлива, снижении токсичности отработанных газов и расширении диапазона регулирования мощности двигателя. Согласно изобретению двигатель включает, по меньшей мере, четыре цилиндра, два из которых являются рабочими, а другие два - компрессорами. При этом первый компрессор выполнен для сжатия и подачи воздуха, а второй - топливовоздушной смеси. Все цилиндры двигателя связаны общим коленчатым валом. При работе двигателя во всем диапазоне нагрузок изменяют рабочие объемы камер сжатия компрессоров и настраивают компрессоры независимо друг от друга, обеспечивая совпадения пиков давления набегающего потока с пиком разряжения в цилиндре компрессора при его заполнении. Сжатый свежий заряд из компрессоров подают в ресивер-перепускной коллектор, обеспечивая совпадения пиков давления выпускного импульса компрессоров с пиком разряжения в рабочем цилиндре. При этом свежий заряд подают в один из рабочих цилиндров, а во второй рабочий цилиндр подают свежий заряд через 360°. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к двигателестроению и может быть использовано в создании новых четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с регулируемым наддувом.

Известен «Способ наддува двигателя внутреннего сгорания» (патент №2136919 МПК F02B 27/02, F02M 35/10, опубл. 1999.09.10).

Способ наддува заключается в повышение эффективности наддува двигателя внутреннего сгорания за счет обеспечения во впускном коллекторе двигателя периодических негармонических колебаний, аналогичных по временным показателям тем, которые генерируются самим двигателем совокупностью и совместной работой - рабочего цилиндра, шатунно-поршневой группы и устройства впуска рабочего тела. Данный способ обеспечивает во впускном коллекторе двигателя периодические негармонические колебания необходимые для регулирования темпа заполнения свежим зарядом впускного коллектора и повышения давления в нем, за счет набегающего потока рабочего тела за период закрытого впускного устройства перед фазой всасывания (впуска).

Недостатком этого способа является то, что частотный спектр диапазона работы двигателя внутреннего сгорания широк - например: частота колебаний холостого хода меньше частоты режима максимальной скорости (автомобиля) в девять раз:

режим холостого хода - w_хх=12 герц, при n=720 (600÷1000) об/мин.

режим половинной мощности - w_mid=60 герц, при n=3750 об/мин.

режимом максимальной мощности - w_max=108 герц, при n=6480 об/мин.

Техническое решение, предлагаемое в патенте, конструктивно не охватывает весь спектр частот, например: предлагаемое устройство, настроенное на режим половинной мощности будет эффективно работать на частоте 60 герц ±30%, т.е. в интервале от 40 до 80 герц, по мере удаления от номинала эффективность работы будет снижаться.

Известен «Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания (патент №2136920 МПК F02B 41/04, опубл. 1999.09.10). Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что вводят группу холодных поршней с всасывающим и нагнетающим клапанами, вводят коммуникации высокого давления, включающие в себя ресивер с клапанами, и осуществляют сжатие над свежим воздухом в холодной группе поршней, откуда сжатый воздух по коммуникациям высокого давления, включающим в себя ресивер с клапанами, расчетный заряд воздуха подают в камеру сгорания при изменении ее объема от минимального до расчетного, в горячей группе поршней в процессе расширения продуктов сгорания обеспечивают превышение степени изменения объема рабочего заряда по сопоставлению со степенью изменения объема в процессе сжатия соответствующего заряда в холодной группе при повороте коленчатого вала на один и тот же угол.

Недостатком этого способа является то, что компрессор, на пусковом и переходных режимах двигателя, должен иметь значительный избыток мощности для прокачки увеличенного объема воздуха и быстрого достижения расчетного давления при изменении режима. При этом объем ресивера постоянен и превышает суммарные объемы камер сгорания, например, в 10 раз, что исключает использование резонансного наддува, что не дает возможности достаточно эффективно использовать потенциальную энергию рабочего тела, что ведет к потере мощности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и принятый за прототип является «Способ наддува с использованием перепадов давления в картере двигателя» (патент № 2198305 МПК F02B 33/26, опубл. 2003.02.10). Способ заключается в том, что в четырехтактном двигателе, разделенном на секции по два цилиндра с синхронным движением поршней в каждой секции, производят всасывание воздуха в картер в объеме двух цилиндров при движении поршней от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке. При движении поршней от верхней мертвой точки к нижней мертвой точке подают воздух из картера в один из цилиндров под давлением. Согласно изобретению при малых и средних нагрузках воздух подают к рабочим цилиндрам через заслонки управления максимальных нагрузок, а при максимальных нагрузках заслонки закрывают и воздух всасывается в картер через впускной клапан картера.

Недостатком этого способа является то, что на режиме холостого хода и малых нагрузках в картере происходит «барботажное» сжатие-расширение паразитного объема воздуха двух цилиндров, что приводит к значительным потерям мощности и как следствие, перерасходу топлива. Современные условия развития автомобилей требуют широкого диапазона регулирования мощности, что не позволяет данное изобретение.

Решаемой технической задачей, на достижение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение литровой (удельной) мощности, снижение удельного расхода топлива, снижение токсичности отработанных газов, расширение диапазона регулирования мощности двигателя.

Технический результат достигается тем, что в способе работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающем подвод свежего заряда - воздуха и топлива, процессы сжатия, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости и заполнения рабочего объема цилиндра свежим зарядом, количество цилиндров выполняют четным и кратным четырем, разделенных на блоки по четыре цилиндра, которые, в свою очередь, разделены на две секции, причем средняя секция составляет группу рабочих цилиндров, работающих по четырехтактному циклу, а разнесенная секция - два компрессора, работающих по двухтактному циклу, которые одновременно подают воздух и топливовоздушную смесь, в объеме двух цилиндров, в ресивер - перепускной коллектор, из которого поочередно осуществляют подачу свежего заряда под давлением в рабочие цилиндры, во всем диапазоне нагрузок изменяют рабочие объемы камер сжатия компрессоров в настраивают компрессора независимо друг от друга, обеспечивая совпадения пиков давления набегающего потока с пиком разряжения в цилиндре компрессора при его заполнении, увеличивая наполнение компрессоров свежим зарядом, далее сжимают в компрессорах и подают свежий заряд в ресивер - перепускной коллектор, обеспечивая совпадения пиков давления выпускного импульса компрессоров с пиком разряжения в рабочем цилиндре при его заполнении за счет изменения объема ресивера - перепускного коллектора, при этом свежий заряд подают в один из рабочих цилиндров, а во второй рабочий цилиндр подают свежий заряд через 360°.

В способе работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, регулирование мощности производят изменением одновременного расхода воздуха и топливовоздушной смеси через компрессоры, для этого изменяют степень сжатия в компрессорах, при этом максимальную мощность получают при максимальном расходе свежего заряда максимальной степени повышения давления в компрессорах - работа с наддувом, а минимальную мощность получают при снижении степени сжатия в компрессорах до единицы и минимальном расходе свежего заряда - работа без наддува.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является «Способ наддува с использованием перепадов давления в картере двигателя» (патент №2198305, МПК F02B 33/26, опубл. 2003.02.10), реализуемый в устройстве четырехтактного двигателя, состоящем из картера многоцилиндрового двигателя, разделенного на герметичные секции по два цилиндра с синхронно движущимися поршнями, причем в каждой секции создаются перепады давления воздуха, используемые для наддува, двигатель снабжен заслонками управления максимальных нагрузок, через которые проходит воздух при малых и средних нагрузках и которые закрывают при максимальных нагрузках, при этом воздух всасывается в картер через впускной клапан картера.

Недостатком этого устройства, является то, что на режиме холостого хода и малых нагрузках в картере происходит «барботажное» сжатие-расширение паразитного объема воздуха двух цилиндров, что приводит к значительным потерям мощности и, как следствие, перерасходу топлива. Современные условия развития автомобилей требуют широкого диапазона регулирования мощности, что не позволяет данное изобретение.

Решаемой технической задачей, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, является повышение литровой (удельной) мощности, снижение удельного расхода топлива, снижение токсичности отработанных газов, расширение диапазона регулирования мощности двигателя.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для осуществления способа, содержащем четное количество рабочих цилиндров и кратное четырем, разделенных на блоки по четыре цилиндра, в которых две секции, причем средняя секция имеет группу рабочих цилиндров, работающих по четырехтактному циклу, а разнесенная секция - два компрессора, работающих по двухтактному циклу, ресивер - перепускной коллектор, все блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом, компрессоры выполняют регулируемыми с переменной высотой камер сжатия, при этом первый компрессор выполнен для сжатия и подачи воздуха, а второй выполнен для сжатия и подачи топливо-воздушной смеси, причем ресивер - перепускной коллектор выполнен переменного объема, например с встроенной дополнительной глухой полостью с подвижным поршнем.

Для пояснения сущности способа рассмотрим тактный компрессор с переменной камерой сжатия, 5 - «ресивер - перепускной коллектор» с механизмом изменения объема, например поршень с механизмом перемещения его, 6 - объединенный коленчатый вал четырехтактного двигателя, 7 - механизм регулировки высоты камеры сжатия в компрессорах, 8 - впускной коллектор воздушного компрессора, 9 - впускной коллектор топливовоздушного компрессора.

Работа способа заключается в следующем. Воздух всасывается и сжимается в воздушном компрессоре (1), параллельно воздух всасывается и сжимается в топливовоздушном компрессоре (4), переменные объемы камер сжатия компрессоров (1, 4) на такте всасывания формируют темп (скорость) заполнения воздухом компрессоров (1, 4), изменяя объем камер сжатия, регулируют скорость напора всасываемого воздуха, при этом объемы камер сжатия настраивают так, чтобы во впускных коллекторах компрессоров были сгенерированы периодические негармонические, т.е. «пик» амплитуды максимума давления напора воздуха во впускном коллекторе компрессоров (8, 9) совпал с пиком минимума разряжения в цилиндрах компрессоров (1, 4) на такте всасывания. На такте всасывания в топливовоздушный компрессор (4) подают топливо, например через карбюратор (или любую известную систему топливоподачи, условно не показано) топливовоздушная смесь сжимается и из обоих компрессоров (1, 4) одновременно воздух и топливовоздушная смесь подают в ресивер - перепускной коллектор (5), где воздух и топливовоздушная смесь перемешивается. Объем ресивера - перепускного коллектора (5) настраивается так, чтобы в нем были сгенерированы периодические негармонические, т.е. совпадали «пики» амплитуды давления импульса выпуска свежего заряда компрессоров (1, 4) и «пик» разряжения на такте впуска рабочего цилиндра (2 или 3, в зависимости от текущего цикла), для выполнения условия резонанса динамического наддува.

Для технико-экономической оценки обратимся к мировой практике. Для увеличения литровой мощности в современных автомобильных двигателях чаще всего применяют системы наддува с повышением давления в компрессоре от 1,1 до 7,85, что позволяет снимать до 95 л.с. с одного литра рабочего объема, а в нашем случае осуществляется не просто наддув, а изменяемый наддув, в зависимости от дорожных условий, причем также используется динамический напор для увеличения эффективности наддува и исключения запирания каналов на переходных режимах. Второй очень важный вопрос для современных автомобилей - на малых нагрузках не нужна максимальная мощность двигателя, а нужен минимальный расход топлива, поэтому используют заслонки на входе, отключение нескольких рабочих цилиндров и др., но данные способы на наш взгляд либо приводят к падению КПД, либо к усложнению конструкции, а в нашем случае за счет изменения степени повышения давления в компрессорах можно изменять режим работы от атмосферного двигателя до двигателя с повышенным наддувом, что позволяет изменять расход рабочего тела в широких пределах, а значит изменять мощность и расход топлива в широких пределах.

1. Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания, включающий подвод свежего заряда - воздуха и топлива, процессы сжатия, сгорания, расширения продуктов сгорания, продувки внутренней полости и заполнения рабочего объема цилиндра свежим зарядом, количество цилиндров выполняют четным и кратным четырем, разделяют на блоки по четыре цилиндра, которые, в свою очередь, разделены на две секции, причем средняя секция составляет группу рабочих цилиндров, работающих по четырехтактному циклу, а разнесенная секция - два компрессора, работающих по двухтактному циклу, которые одновременно подают воздух и топливовоздушную смесь в объеме двух цилиндров в ресивер-перепускной коллектор, из которого поочередно осуществляют подачу свежего заряда под давлением в рабочие цилиндры, отличающийся тем, что во всем диапазоне нагрузок изменяют рабочие объемы камер сжатия компрессоров и настраивают компрессора независимо друг от друга, обеспечивая совпадения пиков давления набегающего потока с пиком разряжения в цилиндре компрессора при его заполнении, увеличивая наполнение компрессоров свежим зарядом, далее сжимают в компрессорах и подают свежий заряд в ресивер-перепускной коллектор, обеспечивая совпадения пиков давления выпускного импульса компрессоров с пиком разряжения в рабочем цилиндре при его заполнении за счет изменения объема ресивера-перепускного коллектора, при этом свежий заряд подают в один из рабочих цилиндров, а во второй рабочий цилиндр подают свежий заряд через 360°.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулирование мощности производят изменением одновременного расхода воздуха и топливовоздушной смеси через компрессоры, для этого изменяют степень сжатия в компрессорах, при этом максимальную мощность получают при максимальном расходе свежего заряда и максимальной степени повышения давления в компрессорах - работа с наддувом, а минимальную мощность получают при снижении степени сжатия в компрессорах до единицы и минимальном расходе свежею заряда - работа без наддува.

3. Устройство для осуществления способа, содержащее четное количество рабочих цилиндров, кратное четырем, разделенных на блоки по четыре цилиндра, в которых две секции, причем средняя секция имеет группу рабочих цилиндров, работающих по четырехтактному циклу, а разнесенная секция - два компрессора, работающих по двухтактному циклу, ресивер-перепускной коллектор, все блоки цилиндров объединены общим коленчатым валом, отличающееся тем, что компрессоры выполнены регулируемыми с переменной высотой камер сжатия, при этом первый компрессор выполнен для сжатия и подачи воздуха, а второй выполнен для сжатия и подачи топливовоздушной смеси, причем ресивер-перепускной коллектор выполнен переменного объема, например со встроенной дополнительной глухой полостью с подвижным поршнем.