Двигатель внутреннего сгорания



Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания

 


Владельцы патента RU 2465469:

Волгин Николай Александрович (RU)

Изобретение относится к четырехтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания (ДВС). Техническим результатом является снижение токсичности продуктов сгорания и повышение удельной мощности. Сущность изобретения заключается в том, что ДВС имеет два выпускных клапана (4, 10), которые соединяют цилиндр с разными коллекторами (11, 13 соответственно). Клапан (4) открывается, как обычно, до нижней мертвой точки такта рабочего хода. Через него и коллектор высокого давления (11) уходит основная часть (до 95%) отработавших газов, которые поступают в систему нейтрализации и глушения. В конце такта выпуска этот клапан закрывается и открывается выпускной клапан (10). Через него и его коллектор низкого давления (13) происходит продувка ОГ в атмосферу. Повысить качество продувки помогает поперечная перфорированная перегородка (9). Она устанавливается между впускными и выпускными клапанами, вносит дополнительное гидравлическое сопротивление продувочному воздуху на кратчайшем пути от впускного к выпускному клапану и заставляет воздух в большей степени двигаться по периферии камеры сгорания, продувая оттуда остаточные газы. Дополнительное разрежение на выходе коллектора (13) создает вакуумный насос (14), приводимый от ремня генератора или распредвала. 3 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к четырехтактным поршневым двигателям внутреннего сгорания.

В тексте и на иллюстрациях приняты следующие сокращения:

- ДВС - двигатель внутреннего сгорания,

- ВМТ - верхняя мертвая точка поршня,

- НМТ - нижняя мертвая точка поршня,

- КС - камера сгорания,

- ОГ - остаточные газы,

- ВпК - впускной клапан,

- ВыК - выпускной клапан,

- БЦ - блок цилиндров,

- ГБЦ - головка блока цилиндров,

- Рmах - максимальная мощность ДВС, л.с.,

- Ра - атмосферное давление, атм,

- рк - давление в коллекторе, атм,

- Рц - давление в цилиндре, атм,

- Vк - объем коллектора.

на круговых диаграммах фаз газораспределения:

- угол открытия или закрытия клапанов отсчитывается по часовой стрелке, начиная от ВМТ начала такта впуска в градусах поворота коленчатого вала,

- 0° - начало отсчета - ВМТ начала такта впуска,

- 180° - НМТ такта впуска,

- 360° - ВМТ такта сжатия,

- 540° - НМТ такта рабочего хода,

- 720° - ВМТ такта выпуска,

- φ - углы между моментами открытия или закрытия клапанов,

- α - углы между ВМТ или НМТ и моментами открытия клапанов,

- β - углы между ВМТ или НМТ и моментами закрытия клапанов,

- толстые линии соответствуют закрытому состоянию клапанов,

- тонкие - открытому. На иллюстрациях:

Фиг.1 - классический поршневой четырехтактный ДВС;

Фиг.2 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС Фиг.1;

Фиг.3 показана схема продувки в классическом двигателе с двумя клапанами на цилиндр;

Фиг.4 - схема продувки в классическом двигателе с четырьмя клапанами на цилиндр;

Фиг 5 - схема продувки в заявленном двигателе;

Фиг.6 - заявленный двигатель с тремя клапанами на цилиндр;

Фиг.7 - схема продувки двигателя на фиг.6;

Фиг.8 - круговая диаграмма фаз газораспределения ДВС, показанного на фиг.6;

Фиг.9 - то же, круговая диаграмма фаз газораспределения с перекрытием выпускных клапанов;

Фиг.10 - эскиз четырехцилиндрового ДВС с вакуумным насосом;

Фиг 11 - вид А на фиг.10.

Особенности работы различных типов ДВС рассматриваются на примере одноцилиндрового бензинового инжекторного ДВС. Системы питания и зажигания на фигурах условно не показаны.

Классический ДВС (фиг.1) в общем случае содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8.

Диаграмма фаз газораспределения - см. фиг.2.

ДВС показан в состоянии конца такта выпуска, поршень чуть не доходит до точки 720°.

Классический ДВС с двумя клапанами на цилиндр имеет высокий уровень СО, СН на низких оборотах и не добирает мощность на высоких. Это обусловлено тем, что камеру сгорания (КС) не удается хорошо очистить (продуть) от остаточных газов (ОГ) воздухом из впускного коллектора в конце такта выпуска - начале такта впуска (точка 720°). Продувка происходит во время перекрытия клапанов (угол φ34). При этом (см. фиг.3) поток продувочного воздуха слаб сам по себе и, в основном, проходит по кратчайшему пути от ВпК 3 к ВыК 4. На периферии КС ОГ не движутся, и даже повышение давления воздуха на впуске наддувом или внешним компрессором ([1], [2]) существенно не улучшает продувку. В этих условиях растет скорость продувочного воздуха по кратчайшему пути от ВпК 3 к ВыК 4 или от источника высокого давления к Вык 4, но на периферии КС ОГ все равно остаются.

Удвоение количества впускных и выпускных клапанов позволяет снизить массу ОГ в КС вблизи точки 720° (см. фиг.4). При этом уменьшается уровень СО, СН на холостых оборотах и вырастает Рmax. Например, для двухлитрового безнаддувного ДВС «АУДИ 80» с двумя клапанами на цилиндр Pmax=115, а для такого же ДВС с четырьмя клапанами на цилиндр - Pmax=138. Все шире применяются ДВС и с пятью клапанами на цилиндр.

Заметим, что при общем числе клапанов на цилиндр более трех приходится использовать два распредвала - конструкция ДВС сильно усложняется.

Цель изобретения - улучшить качество продувки КС существенно не усложняя ДВС.

Для этого в КС ДВС (фиг.5) между ВпК 3 и ВыК 4 устанавливается поперечная перегородка 9 (фиг.1 - пунктир). Эта перегородка имеет неравномерную перфорацию, площадь которой увеличивается от центра к периферии, что позволяет внести небольшое гидравлическое сопротивление продувочному воздуху на кратчайшем пути от ВпК 3 к ВыК 4 и заставить его идти и по периферии.

Выхлоп всех цилиндров многоцилиндрового ДВС от всех выпускных клапанов поступает, как правило, в общий коллектора, затем - в систему нейтрализации и глушения. Из-за существенного гидравлического сопротивления, вносимого, в основном, глушителем, давление в выпускном коллекторе больше атмосферного практически на всем протяжении такта выпуска. Это ухудшает наполняемость цилиндра свежим зарядом и снижает Рмакс ДВС. Известно, что Рмакс ДВС с глушителем в среднем на 10% меньше, чем у ДВС без глушителя.

Вблизи точки 720°, когда продувается один цилиндр (углы α3, β4 φ34), в каком-то другом цилиндре открывается ВыК 4 (угол α4), кратковременно давление Рк в общем выпускном коллекторе резко вырастает, это нарушает продувку и снижает Рмакс. Многоцилиндровый ДВС имеет один или несколько узких отрезков в диапазоне оборотов, где он плохо принимает.

Для нивелирования указанных недостатков в исходный ДВС (фиг.1) вводится дополнительный выпускной клапан, который работает в отдельный выпускной коллектор. На выходе этого коллектора создается разрежение.

Улучшение параметров ДВС с помощью принудительной откачки выхлопа из цилиндра известно, например, из ДВС [3]. В нем выхлоп из рабочего цилиндра откачивается вспомогательным цилиндром, который установлен рядом на общем коленчатом валу, и таким образом создает разрежение в выпускном коллекторе рабочего цилиндра. Этот ДВС 131 принят за прототип.

Предлагаемый ДВС (см. фиг.6) содержит цилиндр 1 с поршнем 2, ВпК 3, ВыК 4. Клапаны приводятся кулачками 5 распредвала 6. Поршень 2 через шатун 7 вращает коленчатый вал 8. В КС установлена поперечная перфорированная перегородка 9. ДВС включает дополнительный ВыК 10, который приводится своим кулачком от общего распредвала. ВыК 4 работает в выпускной коллектор 11 (высокого давления) и глушитель 12. Дополнительный ВыК 10 работает в коллектор 13 (низкого давления). Разрежение в нем создается вакуумным насосом 14. Он приводится через приводной шкив 15 от шкива коленчатого вала 16 через шкив 17 общим ремнем 18 с редукцией повышения.

Диаграммы фаз газораспределения - фиг.8 и 9. Фиг.6 - эскиз четырехцилиндрового ДВС.

ДВС работает следующим образом.

В такте впуска цилиндр набирает заряд, в следующем такте - сжимает его, затем заряд поджигается искрой, далее следует такт расширения рабочего тела (такт рабочего хода), в конце которого, не доходя до НМТ 540° на угол α4, открывается ВыК 4, через него в коллектор 11 и глушитель 12 истекает основная часть отработавших газов на протяжении угла α410. Затем ВыК 4 закрывается и открывается ВыК 10. В этом состоянии при открытых ВпК 3 и ВыК 10 на протяжении угла перекрытия клапанов φ3, 10 происходит продувка КС воздухом из впускного коллектора. ОГ выходят в коллектор 13 под воздействием собственной инерции и разрежения от вакуумного насоса 14.

После точки 720°, по истечении небольшого угла β10 (около 10°) ВыК 10 закрывается и при открытом ВпК 3 цилиндр набирает новый заряд на движении поршня вниз. В общем случае ВыК 10 может закрываться и до точки 720°. Основная масса выхлопа проходит через ВыК 4 и коллектор 11, они работают в наиболее напряженном тепловом режиме. Дополнительный ВыК 10 открывается позднее. К этому моменту температура газов в цилиндре в разы меньше, чем в начале такта выпуска, а давление немногим больше атмосферного. Таким образом, коллектор 13 может быть выполнен легкой гофрой, а к вакуумному насосу 14 не предъявляются жесткие требования по температурной устойчивости, как, например, к выхлопной турбине наддува ДВС.

Самый мощный акустический фронт (хлопок) происходит в момент открытия ВыК 4, к моменту открытия ВыК 10 этот шум уже минует глушитель. Истечение ОГ через коллектор 13 не сопровождается сильным рокотом и практически не требует глушителя.

Рмакс ДВС увеличивается за счет увеличения заряда на впуске (при уменьшении ОГ). Применение вакуумного насоса позволяет уменьшить время на очистку КС, поэтому можно уменьшить угол α4, увеличив при этом угол рабочего хода 180° - α4 и коэффициент полезного действия (кпд) ДВС. Заметим, что у двухклапанных ДВС α4=40…70°.

В общем случае уменьшение α4 сопровождается рядом позитивных последствий:

- снижается звуковое давление работающего ДВС,

- снижается температура и давление отработавших газов в начале такта выпуска, что позволяет увеличить диаметры выпускных клапанов,

- растет Рмакс и кпд ДВС.

Заметим, что энергия, потраченная на создание разрежения в коллекторе 13, возвращается - оно втягивает поршень в цилиндр после открытия ВыК 10. Из диаграммы фиг.8 ясно, что с этой точки зрения следует по возможности снижать угол α10, чтобы увеличить время полезного воздействия разрежения на днище поршня. На практике этот угол может быть снижен вплоть до 20° (см. фиг.8 - пунктир).

В конце такта рабочего хода температура газов в цилиндре Тц≈1000°С, а Рц=3…5. После открытия ВыК 4 и к моменту α10=20°, Рц≈1.2, Тц≈150°С. При таких параметрах выхлопа уже можно открыть ВыК 10 и закрыть ВыК 4, разрежение в коллекторе 13 начнет втягивать поршень в цилиндр. ВыК 4 и ВыК 10 могут иметь перекрытие φ10,4 (см. Фиг.9), часть выхлопа может проходить через ВыК 10 перед ОГ. Ясно, что φ10,4 не может быть большим, иначе выхлоп из коллектора 11 будет интенсивно закачиваться в коллектор 13.

В области НМТ и отрезке углов 540°…540°+20° поршень практически не движется вверх, поэтому момент переключения клапанов ВыК 4 и ВыК 10, когда оба клапана практически закрыты, не приводит к повышению давления ОГ в цилиндре и возникновению противомомента.

Вакуумный насос 14 можно привести и выхлопной турбиной, установив ее приводную крыльчатку в коллекторе 11. В этом случае можно дополнительно увеличить кпд ДВС.

ЛИТЕРАТУРА

1. А.С. СССР №889878, кл. F02B 29/00.

2. А.С. СССР №979669, кл. F02B 21/00.

3. Патент RU №2169276,кл. F02B 42/06.

1. Четырехтактный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), содержащий один и более цилиндров, каждый из которых включает впускной и два (первый и второй) выпускных клапана, камеру сгорания, а также вакуумный насос, откачивающий продукты сгорания из цилиндра, который приводится от коленчатого вала, отличающийся тем, что, с целью снижения токсичности выбросов и повышения удельной мощности, выпускные клапаны работают в разные коллекторы, сначала открывается первый выпускной клапан, второй выпускной клапан открывается позднее при закрытом или открытом первом клапане, вакуумный насос подключен к выходу выпускного коллектора второго клапана.

2. ДВС по п.1, отличающийся тем, что камера сгорания имеет одну или несколько перегородок, расположенных между впускными и выпускными клапанами параллельно или под углом к оси цилиндра, перегородки могут иметь неравномерную перфорацию, площадь которой увеличивается от центра к периферии.

3. ДВС по п.1, отличающийся тем, что приводное колесо вакуумного насоса кинематически связано ремнем распредвала или ремнем генератора с коленчатым валом с редукцией повышения, ось насоса параллельна оси коленчатого вала.

4. ДВС по п.1, отличающийся тем, что в качестве вакуумного насоса применяется турбонасос, крыльчатка которого смонтирована на валу выхлопной турбины, подключенной к выходу коллектора первых клапанов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания (ДВС) с воспламенением от сжатия. .

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к поршневым двигателям внутреннего сгорания. .

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, а именно к устройствам камеры сгорания 4-тактного поршневого бензинового двигателя, преимущественно автомобильного.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к двигателестроению, а именно к способам работы многотопливного двигателя внутреннего сгорания и многотопливным двигателям внутреннего сгорания.

Изобретение относится к машиностроению и позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. .

Изобретение относится к двигателестроению. .

Изобретение относится к машиностроению, а именно к четырехтактным двигателям внутреннего сгорания. Техническим результатом является повышение надежности пуска двигателя внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель содержит цилиндр с поршнем, впускной клапан и два выпускных клапана. Первый выпускной клапан открывается до прихода поршня в нижнюю мертвую точку на такте рабочего хода. Через этот клапан производится выпуск из цилиндра основной части отработавших газов. В конце такта выпуска первый выпускной клапан закрывается и открывается второй выпускной клапан, через который с помощью вакуумного насоса происходит отсос оставшихся отработавших газов из цилиндра. Для повышения качества продувки на огневом днище крышки цилиндра между впускным и выпускными клапанами установлена перфорированная перегородка, которая заставляет рабочее тело двигаться по периферии камеры сгорания, что способствует удалению остаточных газов из периферийных областей камеры сгорания. В период пуска холодного двигателя перфорированная перегородка, выполненная из материала, обладающего эффектом памяти формы, прижата к поверхности крышки цилиндра и не препятствует свободному движению рабочего тела в камере сгорания. После пуска и прогрева двигателя в материале перфорированной перегородки происходит мартенситное превращение, и она изменяет свою форму, отгибаясь от огневой поверхности крышки цилиндра и занимая рабочее положение. Если пуск производится на горячем двигателе, перфорированная перегородка имеет температуру, равную температуре крышки цилиндров, и остается в рабочем положении, обеспечивая надежный пуск и работу горячего двигателя. 2 ил.

Изобретение может быть использовано в дизельных двигателях. Двухтактный дизельный двигатель содержит блок цилиндров, головку (6) блока, коленчатый вал, поршни, вставленные в цилиндры и посредством шатунов (9) соединенные с коленчатым валом, на котором закреплен маховик, насос высокого давления, механически соединенный с коленчатым валом. Двигатель имеет нагнетатель воздуха, механически соединенный с коленчатым валом, системы питания, охлаждения, смазки, запуска и механизмы управления. Каждый цилиндр имеет два продольных внутренних паза (25), размещенных напротив друг друга на линии диаметра, один из которых имеет впускное окно, а другой - выпускное окно. Каждый из поршней состоит из двух дисков (26) и (27) - верхнего и нижнего, соединенных друг с другом своими торцевыми поверхностями и скрепленных болтами (28). Внутри верхнего и нижнего дисков (26) и (27) выполнена дополнительная камера сгорания в виде полости (29), образованной горизонтальными и наклонными поверхностями (30) и (31) и имеющей на противоположных боковых сторонах поршня впускное и выпускное отверстия (32) и (33), сообщенные с продольными внутренними пазами (25) цилиндра. Противоположные горизонтальные и наклонные поверхности (30) и (31) полости (29) параллельны, равны по размерам и по площади друг другу. Основная камера (34) сгорания связана с дополнительной камерой сгорания Г-образным каналом (35) для выравнивания давления воздуха в них в конце такта сжатия. Форсунка (7), закрепленная на блоке цилиндров, соединена каналами (36) с обеими камерами сгорания для одновременной подачи в них топлива. На боковой поверхности нижнего диска (27) поршня выполнены под впускным и выпускным отверстиями дополнительной камеры сгорания два противоположных выступа (38) с Г-образными элементами уплотнения (39), входящие в продольные внутренние пазы (25) цилиндра, с возможностью вертикального перемещения. Технический результат заключается в повышении мощности двигателя. 20 ил.
Наверх