Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Воздух предварительно сжимают импульсами давления выпускных газов в перепускном канале, направляют сжатый воздух через обратные клапаны сначала в продувочный ресивер, а затем - в подпоршневые полости, продувают рабочие камеры цилиндров путем соединения впускных окон с ресивером, а выпускные окна - с входом перепускного канала, дополнительно сжимают заряд в рабочей камере с одновременным расширением сжатого воздуха в подпоршневых полостях , подают топливо в рабочую камеру с последующим его сгоранием и расширением продуктов сгорания с одновременным выпуском воздуха из подпоршневых полостей в выпускной тракт. Способ реализуется в двигателе, снабженном перепускным каналом , вход которого разделен с выходом подвижной перегородкой и соединен посредством первых обратных клапанов с выпускным патрубком, средняя часть канала вторым обратными клапанами соединена с наддувочным ресивером, выход канала снабжен буферной полостью и третьими обратными клапанами, а подпоршневые полости содержат четвертые обратные клапан. Способ и устройство обеспечивают полное использование энергии давления продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя . 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 F 02 В 27/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4797757/06 (22) 02.03,90 (46) 30.09,92, Бюл. N 36 (75) П,С.Владимиров (56) 1. Авторское свидетельство СССР

М 1694954, кл. F 02 В 27/00, 1989. (54) СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЪ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение относится к двигателям внутреннего сгорания. Воздух предварительно сжимают импульсами давления выпускных газов в перепускном канале, направляют сжатый воздух через обратные клапаны сначала в продувочный ресивер, а затем — в подпоршневые полости; продувают рабочие камеры цилиндров путем соединения впускных окон с ресивером, а выпускные окна — с входом перепускного канала, дополнительно сжимают заряд в раИзобретение относится к области энергетического машиностроения, конкретнее— к двигателям внутреннего сгорания.

Известны способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания для реализации этого способа (1), Известный способ работы двигателя заключается в продувке цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительном сжатии воздуха в цилиндре, подаче топлива в сжатый воздух, сгорании и расширении продуктов сгорания, перепуске их в начале на вход перепускного канала, отсоединенного от впускного патрубка, предварительЫЛ 1 765473 А1 бочей камере с одновременным расширением сжатого воздуха в подпоршневых полостях, подают топливо в рабочую камеру с последующим его сгоранием и расширением продуктов сгорания с одновременным выпуском воздуха из подпоршневых полостей в выпускной тракт. Способ реализуется в двигателе, снабженном перепускным каналом, вход которого разделен с выходом подвижной перегородкой и соединен посредством первых обратных клапанов с выпускным патрубком, средняя часть канала вторым обратными клапанами соединена с наддувочным ресивером, выход канала снабжен буферной полостью и третьими обратными клапанами, а подпоршневые полости содержат четвертые обратные клапан, Способ и устройство обеспечивают полное использование энергии давления продуктов сгорания и повышение экономичности двигателя. 2 с, и 6 з,п. ф-лы, 2 ил, ном сжатии воздуха в перепускном канале и подаче его во впускные окна, соединении входа перепускного канала с выпускным патрубком и продувке его во время процессов дополнительного сжатия, сгорания и расширения.

Этот способ и двигатель для его реализации обеспечивают эффективное использование импульсов давления выпускных газов в перепускном канале и повышение экономичности двигателя.

Недостатком известного решения является неполное использование энергии продолженного расширения продуктов сгорания, поскольку их энергия многократно

1765473 превышает работу продувки цилиндров свежим зарядом воздуха, Целью изобретения является повышение экономичности двигателя путем использования энергии выпускных газов не только на продувку цилиндров, но и на увеличение его мощности путем подачи части предварительно сжатого воздуха в подпоршневые полости цилиндров и последующего расширения его во время сжатия заряда в основ- 10 ной рабочей камере.

На фиг.1 изображен двигатель с подвижной перегородкой, осевой разрез; на фиг,2 — приведен вариант двигателя с дополнительным цилиндром и поршнем, осевой разрез.

Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1, в котором расположены два оппозитных поршня 2 и 3 со штоками 4 и 5, кинематически связанными с приводом, обеспечивающим противоположное движение поршней (например, шарнирно соединенными с коромыслами, сопряженными с качающимися шайбами, установленными с возможностью вращения на косых кривошипах силового вала двигателя). Между крышками цилиндра и задними торцами поршней имеются подпоршневые полости 6 и 7, сообщающиеся между собой через отверстия 8 — 10, В крышках цилиндров выполнены отверстия 11, сообщающиеся с выпускным трактом; в отверстиях установлены автоматические клапаны 12 с пружинами 13, усилие которых реализовано достаточным для автоматического открытия клапана при избыточном давлении в подпоршневых полостях примерно 0,3...1 бар;

При положении поршней вблизи "нижней мертвой точки" (см. фиг.1) клапаны поджаты упругими упорами 14, выполненными, например, в виде пластинчатых пружин, закрепленных на торцах поршней. Пружины

13 могут быть оперты или на корпус, или на шайбу 15, установленную в цилиндре с возможностью осевого перемещения при взаимодействии с упором 16, неподвижно установленным на штоке.

В цилиндре 1 выполнены впускные окна

17, сообщающиеся с продувочным ресивером 18, и выпускные окна 19, соединенные со входом перепускных каналов, расположенных диаметрально противоположно относительно цилиндра. Перепускные каналы выполнены в виде пневмоцилиндра поворотного движения, состоящего из цилиндрической оболочки 20 с основанием 21, двух торцовых крышек 22 и подвижной перегородки 23, установленной на подшипниках с возможностью поворота в полости нагнетателя и разделяющей ее на две части 24 и 25.

Перегородка 23 выполнена в виде легкой панели с сотовым заполнителем из ряда радиальных ревер, она может быть изготовлена методом пайки из листовых титановых или стальных элементов. Перегородка сопряжена с возвратной пружиной, например с пружиной кручения 26, расположенной внутри пустотелого вала и зафиксированной одним концом в упомянутом валу, а другим — в одной из торцовых крышек 22, Усилие пружины обеспечивает поджатие перегородки 23 в исходном нерабочем состоянии к выпускным окнам 19, Внутренние поверхности торцовых крышек 22 и оболочки 20 имеют "мягкое" износное покрытие (например, графитотальковое или графитоалюминиевое, применяемое в воздушных бесконтактных, уплотнениях газотурбинных двигателей), кроме того, износные поверхности на части с углом аимеют структуру из элементов лабиринтных уплотнений в виде сотовых ячеек или канавок, которые на поверхности оболочки 20 направлены по образующей цилиндрической поверхности, а на поверхностях торцевых крышек расположены радиально. Глубина и емкость лабиринтных ячеек выбираются из условия обеспечения "реверса" утечек, т.е. возврата утечек газа назад в полость 25 при расширении продуктов сгорания в ней (для чего глубина и емкость ячеек выполняется переменной, обратно пропорциональной скорости пластины на угле поворота а).

Угол а соответствует фазе поворота лопасти, при которой давление в полости 25 превышает давление в полости 24, т,е. лабиринтная структура выполняется на части указанных поверхностей, расположенных у входа перепускного канала. В части основания 21, расположенной в полости 25 вблизи торцовых крышек 22 выполнены выпускные отверстия, сообщающиеся с выпускными патрубками 27 и снабженные выпускными клапанами 28 с пружинами 29.

Усилие пружин 29, подобно пружинам 13, обеспечивает автоматическое открытие клапана 28 при падении давления в полости 25 до 0,3...1 бар (избыточных). Клапаны

28 кинематически связаны с перегородкой

23, например, соприкосновением их или посредством рычага 30, взаимодействующего с тарелкой 31 клапана и через толкатель 32 — с кулачком 33, установленным на валу перегородки, В цилиндрической оболочке 20 выполнены впускные отверстия 34 с установленными в них обратными клапанами 35, выпускные отверстия 36 и 37 — с обратными (например, пластинчатыми) кла1765473

10

35

45

55 панами 38 и 39, посредством которых полость 24 нагнетателя сообщена соответственно с ресивером 18 и с патрубком 40.

Отверстия 37 расположены на расстоянии от основания 21, Кроме того, в торцовых крышках 22 тоже могут быть выполнены впускные отверстия 41 с обратными клапанами.

Устройство двигателя допускает различные варианты исполнения, В частности, ресиверы 18 могут быть выполнены в виде теплообменника с запаянными в его стенки трубками 42, сообщающиеся с источником охлаждающего воздуха.

На фиг.2 изображен двигатель с перепускным каналом в виде пневмоцилинра 43 с поршнем 44, полость 45 которого сообщена с выпускными окнами 46 и через выпускной автоматический клапан 47 с выпускным патрубком, а полость 48 через выпускные окна

49 с обратными клапанами 50 (выполненными, например, в виде разрезного упругого кольца) сообщена с продувочным ресивером 51, через окна 53 с обратными клапанами 54, окна 55, газовод 56, полость 48 сообщена с подпоршневыми полостями 57 и 58. Поршень 44 выполнен пустотелым, кольцевой формы и сопряжен посредством аэростатического подшипника с дросселирующими отверстиями 59 с наружной оболочкой ресивера 51, наддув подшипника осуществляется через отверстия 60 с обратными клапанами 61 сжатым воздухом из полости 48, В торце пневмоцилиндра выполнено впускное отверстие 62 с обратным клапаном 63.

Вместо перепускного канала, расположен ного коаксиал ьно относител ьно цилиндра, возможно использование двух каналов, выполненных в виде обычных пневмоцилиндров и расположенных параллельно с обоих сторон цилиндра; этот вариант принципиально подобен варианту на фиг.1 и на чертежах не изображен, Реализация способа работы и действие

ДВС осуществляется следующим образом.

При встречном движении поршней 2 и 3 в рабочей камере цилиндра 1 осуществляется сжатие, затем вблизи B,М,Т. через форсунку

64 впрыскивается топливо, происходит его сгорание и процесс расширения продуктов сгорания при обратном ходе поршней, В этот момент перегородки 23 пружинами 26 поджаты к выпускным окнам 19, выпускные клапаны 28 при этом закрыты или непосредственно лопастью 23, или кулачком 33 через толкатель 32 и рычаг 30, В фазе активного выпуска, когда поршень 3 открывает окна 19 и продукты сгорания под значительным избыточным давлением (примерно 4„,8 бар) проникают в полость под перегородкой 23, последняя получает ускоренное вращательное движение при повороте на угол а, при этом угловая скорость вращения может превышать 1000 рад/с, а окружная скорость— более 30 мlс. B полости 25 перепускного канала происходит процесс продолженного расширения выпускных газов, а в полости

24 — сжатие воздуха. Затем давление по обе стороны ее выравнивается и достигает величины примерно 2 бар, и дальнейшее движение перегородки происходит с торможением за счет приобретенной кинетической энергии. Сжатый воздух из полости 24 через отверстия 36 вытесняется в продувочный ресивер 18 и через впускные окна 17 поступает в рабочую камеру цилиндра 1, обеспечивая прямоточную вихревую продувку камеры. После подачи в ресивер объема воздуха, достаточного для продувки, перегородка 23 перекрывает отверстия 36, при этом обратные клапаны 38 закрываются, При дальнейшем ходе перегородки по инерции давление в полости 24 повышается до 6...10 бар, сжатый воздух вытесняется в подпоршневые полости 6, 7. После прохождения перегородки 23 окна 37 закрывается клапан 39, давление в оставшейся замкнутой полости 65 скачкообразно возрастает и отражает перегородку 23 обратно, т.е. полость 65 является пневматическим буфером, При обратном ходе перегородки открываются клапаны 35, 41, через которые осуществляется всасывание свежего заряда (воздуха) и вытеснение продуктов сгорания через автоматически открывшиеся при низком давлении в камерах 25 клапаны 28 в выпускные патрубки 27, После продувки рабочей камеры цилиндра 1 сжатым воздухом происходит процесс сжатия в этой камере, при этом объем подпоршневых полостей 6, 7 увеличивается и находящийся в этих полостях сжатый воздух расширяется, совершая полезную работу, После падения давления в подпоршневых полостях примерно до 0,5 бар (избыточных) пружины 13 открывают клапаны 12 и в фазе расширения в основной рабочей камере цилиндра происходит выпуск воздуха из подпоршневых полостей через отверстия 11, Упоры 16, взаимодействуя с шайбами 15, обеспечивают более энергичное открытие клапанов 12.

Последовательность операций способа работы и действия устройства на фиг.2 аналогичны: в фазе активного выпуска поршень

44 ускоряется и вытесняет сжатый воздух низкого давления в продувочный ресивер

51, а сжатый воздух высокого давления — в подпоршневые полости 57, 58, где он расширяется s процессе сжатия в рабочей ка1765473 мере цилиндра 1, Всасывание свежего воздуха происходит через обратный клапан 63, выпуск продуктов сгорания — через автоматические клапаны 47.

Исполнение ресивера в виде теплообменника с охлаждающими трубками 42 позволяет снизить температуру продувного воздуха, увеличить его плотность, уменьшить работу сжатия, т,е, повысить мощность и экономичность двигателя, снизить тепл она п ряжен ность.

Приработочные покрытия на внутренних .поверхностях перепускного канала обеспечивают в процессе работы минимальный гарантированный зазор между подвижной перегородкой 23 и корпусом нагнетателя, равный примерно 0,05 — 0,1 мм.

Микрополости ячеек лабиринтных уплотнений обеспечивают при движении перегородки 23 возврат утечек газа обратно в полость 25, т,е. обеспечивают повышение объемного КПД нагнетателя.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем предварительного сжатия воздуха в перепускном канале, продувки цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительного сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания и их выпуска с использованием импульсов давления в перепускном канале между выпускным и впускным патрубками, перепуска продуктов сгорания на вход перепускного канала в начале выпуска и выпуска продуктов сгорания из перепускного канала во время дополнительного сжатия, сгорания и расширения, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения экономичности, перед направлением предварительно сжатого воздуха во впускной патрубок часть его перепускают в продувочный ресивер, сообщенный с впускными окнами цилиндра, оставшуюся часть предварительно сжатого воздуха вытесняют в подпоршневые полости, из которых в конце дополнительного сжатия ее перепускают в выпускной патрубок, 2, Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными и выпускными окнами и размещенными в нем противоположно движущимися поршнями со штоками, впускной и выпускной патрубки и перепускной канал с

5 подвижной перегородкой, соединенный входом через первые обратные клапаны с выпускным патрубком, а выходом с впускным патрубком, отл ич а ю щи и с я тем, что, с целью повышения экономичности, он

10 снабжен подпоршневыми полостями и продувочным ресивером, сообщенным с впускными окнами цилиндра, в средней части перепускного канала выполнены отверстия, снабженные дополнительно установленны15 ми вторыми обратными клапанами и связанными с продувочным ресивером, а выход перепускного канала выполнен с возможностью образования в нем буферной полости между стенкой канала и подвижной перего20 родкой и соединен через дополнительно установленные третьи обратные клапаны с подпоршневыми полостями, связанными через дополнительно установленные четвертые обратные клапаны с выпускным пат25 рубком.

3. Двигатель по п,2, отличающийся тем, что перепускной канал и подвижная перегородка выполнены соответственно в виде дополнительного цилиндра с разме30 щенным в нем дополнительным поршнем, 4, Двигатель по п.2, отличающийся тем, что первые обратные клапаны кинематически связаны с подвижной перегородкой.

35 5. Двигатель по пп.2 — 4, о т л и ч а юшийся тем, что продувочный ресивер выполнен в виде теплообменника, 6, Двигатель по пп,2 — 5, о т л и ч а юшийся тем, что на штоках поршней

40 установлены упоры с возможностью воздействия на четвертые обратные клапаны.

7.Двигатель по пп,2 — 6, о т л и ч а юшийся тем, что на боковых поверхностях перепускного канала выполнено прирабо45 точное покрытие.

8. Двигатель по пп.2 — 7, о т л и ч а юшийся тем, что на боковой поверхности перепускного канала вблизи его входа выполнено лабиритное уплотнение, 1765473

Составитель П. Владимиров

Техред М,Моргентал Корректор И. Шулла

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 3368 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5