Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания
Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания . Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один цилиндр 1 со встречно движущимися поршнями 6 и 7, снабженными жаропрочными вставками 11 и внутренними ребрами 13. в котором посредством жестко установленных направляющих втулок 14 образуются подпоршневые полости 35 и 36. сообщенные с дополнительным перепускным каналом 29 с возможно28 П 16 24 Ы 40 29 35 III I / «JJ 156 120 стью использования импульсов давления продуктов сгорания, характеризуются свободным выпуском продуктов сгорания в дополнительный перепускной канал 29, сжатием в нем воздуха и перепуском его в подпоршневые полости 35, 36. где он подогревается , расширяется и выпускается в процессе расширения. Кроме того, остаточное давление выпускных газов через золотниковый клапан 23 передается в перепускной канал 28 и обеспечивает интенсивную продувку рабочей камеры, затем срабатывается в низконапорном трубонагнетателе. Рассмотрены варианты конструкции с коаксиальным расположением ресивера 16 с дополнительным свободным поршнем с обратными клапанами 29.30, 31. 37, 42. Способ и двигатель обеспечивают эффективное использование энергии расширения выпускных газов и повышение топливной экономичности двигателя. Кроме того, обеспечивается полезное использование тепла охлаждающего воздуха в подпоршневых полостях при его расширении. 2 с. п. ф-лы и 9 з.п. ф-лы. 3 ил. 24 Ы 40 29 35 I / j&- ±±Ј:g ё v| VI О. 00 -N О Фиг
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (яи F 02 В 27/00
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ V
0
СО
3ъ
16 21 47 40 79
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780564/06 (22) 11.01.90 (46) 23.11.92. Бюл. М 43 (75) П.С.Владимиров (56) Авторское свидетельство СССР
Рв 705134, кл. F 02 В 27/00, 1976.
Авторское свидетельство СССР
O 1430570, кл. F 02 В 27/00, 1987.
Авторское свидетельство
М 1694954, кл, F 02 В 27/00, 1989, (54) Cll0C06 РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (57) Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания содержит по меньшей мере один цилиндр 1 со встречно движущимися поршнями 6 и 7, снабженными жаропрочными вставками 11 и внутренними ребрами 13, в котором посредством жестко установленных направляющих втулок 14 образуются подпоршневые полости 35 и 36, сообщенные с дополнительным перепускным каналом 29 с возможно„„ „„1776840 Аi стью использования импульсов давления продуктов сгорания, характеризуются свободным выпуском продуктов сгорания а дополнительный перепускной канал 29, сжатием в нем воздуха и перепуском его в подпоршневые полости 35, 36, где он подогревается, расширяется и выпускается в процессе расширения. Кроме того. остаточное давление выпускных газов через золотниковый клапан 23 передается в перепускной канал 28 и обеспечивает интенсивную продувку рабочей камеры, затем срабатывается в низконапорном трубонагнетателе. Рассмотрены варианты конструкции с коаксиальным расположением ресиаера 16 с дополнительным свободным поршнем с обратными клапанамв 29, 30, 31.
37, 42. Способ и двигатель обеспечивают эффективное использование энергии расширения выпускных газов и повышение топливной экономичности двигателя. Кроме того, обеспечивается полезное использование тепла охлаждающего воздуха в подпоршнеаых полостях при его расширении. 2 с. и. ф-л ы и 9 з.п. ф-л ы. 3 ил.
1776840
4-х тактном ДВС с клапанной системой га- 5 зораспределения, характеризующийся исИзвестен способ гаэообмена ДВС и ус- 10 тройство для его осуществления, содержа-.
40
55
Изобретение относится к энергетике, а именно к способам работы и устройствам
ДВС, например двухтактных дизелей.
Известен способ газораспределения в пользованием. энергии импульса давления выпуска одного цилиндра для наддува другого цилиндра. щий процесс выпуска продуктов горения в параллельно подключенных между впускным и выпускным патрубками турбонагнетатель и перепускной канал, причем в перепускном канале подвижно установлена перегородка в виде шара и кольцевой упор длч нее.
Известен способ газообмена ДВС, характериэующийся тем; что в начале процесса свободного выпуска соединяют полость рабочей камеры со входом перепускного канала, затем разобщают рабочую камеру со входом перепускного канала и соединяют ее с выходом перепускного канала, с впускными и выпускными патрубками, в процессах сжатия, сгорания и расширения соединя.от вход перепускного канала с выпускным патрубком, а выход перепускного канала с впускным патрубком..
Предложенная в способе последовательность управления газообмена,реализуется в устройстве, содержащем золотниковый клапан с распределительными отверстиями, последовательно сообщающимися при ходе клапана с остальными выпускными окнами, со входом перепускного канала, с выпускным патрубком, причем во впускном патрубке установлен обратный клапан. Способ и устройство по указанной заявке поло>кительно отличается от указанных выше устройств экономичностью и эффективностью газообмена при различных скоростных режимах работы. но они не исчерпывают возможностей для дальнейшего совершенствования. Например, известно, что энергия выпускных газов существенно превосходит ее затраты на организацию газообмена (поддувки) двухтактного ДВС, это обстоятельство используется для повышес ния мощности и экономичности в комбинированных поршневых двигателей, где избыток энергии выпускных газов реализуется в газовой турбине, связанной через понижающий редуктор с силовым валом двигателя. Таким образом, неполное использование энергии выпускных газов в указанном выше прототипе можно определить как его недостаток, 20
Цель изобретения — повышение экономичности.
На фиг.1 изображен один цилиндр двигателя в осевом разрезе; на фиг.2 — вариант двигателя со свободным дополнительным поршнем и с выпускным клапаном другой конструкции; на фиг.3 разрез А-A на фиг.2.
Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с продольными ребрами 2 воздушного охлаждения, с форсункой 3, впускными окнами 4 и впускными окнами 5: внутри цилиндра с возможностью противоположного движения оппозитно установлены поршни 6 и 7, соединенные. посредством шатунов 8 с коромыслами 9. которые поворотно сопряжены с качающимися втулками, установленными на косых кривошипах вала
10 двигателя. Головки поршней имеют вставки 11, выполненные из жаропрочного материала, например, иэ стали или керамики, на внутренних поверхностях вставки выполнены охлаждающие ребра; вставка герметично и неподвижно соединена с остальной частью поршня, внутри поршня выполнены заодно целое с его юбкой гильзы
N 12Ф и продольные ребра 13; гильзы подвижно, например, посредством лабиринтных уплотнений, сопряжены с направляющими втулками 14, жестко за- . крепленными на концах цилиндра 1, Поверх оребренной поверхности цилиндра установлены кожух l5 и цилиндр-ресивер 16, концы которого соединены возвуховодом
17. Кроме того, с цилиндром ресивером 16 жестко соединен воздушный коллектор 18. который через отверстия 19 и обратный клапан 20 сообщен с помощью цилиндра ресивера 16, а через впускной патрубок 21 — с низконапорным источником сжатого воздуха: нагнетаемым, например, установленной на валу двигателя крыльчаток, низконапорным (0.03 мПа) агрегатом трубонаддува или патрубком с резонансной длиной, использующим волновые явления на впуске. Вблизи выпускных окон 5 на кожухе 45 с возможностью осевого перемещения до упора 22 установлен золотниковый клапан-распределитель
23 с внешней цилиндрической поверхностью. управляющей выпускными отверстиями 24 и с внутренней цилиндрической поверхностью, управляющей перепуском газа через канавку 25 и отверстия 26. Клапан 23 снабжен пружинами 27, поджимающими его в исходном состоянии к упору 22. Пружины могут быть другой конструкции, например, пневматическими. Клапан 23 делит полость цилиндра ресивера 16 на две части, образующие основной перепускной канал 28, функционально соответствующий прототипу, и
1776840 дополнительный перепускной канал 29, второй конец которого через первые обратные клапаны 30 сообщен с воздуховодом 17 и через вторые обратные клапаны 31 с охлаждающим каналом образованным ребрами 2, который через отверстия 23, ЗЗ, 34 соединен с подпоршневыми полостями 35, 36 выпускным патрубком, который тоже может иметь резонансную длину для создания разрежения в момент выпуска или сообщаться со входом низконапорного турбонагнетателя. В дополнительном перепускном клапане
29 вблизи выпускных окон 5 установлена направляющая решетка 39, состоящая иэ набора колец, соединенных радиальными элементами, Выпускные отверстия 24 обьединены выпускным коллектором 40 с выпускным патрубком 41, соединенным со входом турбины низконапорного турбонагнетателя, Обратные клапаны 20, 30, 31, 37 конструктивно выполнены в виде упругих нарезных колец, свернутых из пружинящей ленты и установленных в направляющих кольцевых канавках. Клапаны 31, 37 установлены в одной общей проточке, которое обеспечивает его автоматическое открытие при падении давления в подпоршневых полостях 35 36 до минимальной величины.
Часть отверстий 33 снабжена обратными клапанами 42. На фиг.2 изображен вариант устройства, имеющий следующие конструктивные особенности: в дополнительной перепускной полости установлен с возможностью осевого перемещения дополнительный поршень 43 в виде пустотелого кольца, выполненного иэ левого жаропрочного материала, например, из титанового сплава или углепластика. Масса поршня в несколько раз меньше массы клапана 23. Са стороны "холодного" торца поршень имеет впускные отверстия 44 с четвертыми обратными клапанами 45 и дросселирующие отверстия 46, сообщающиеся с зазором в полости дополнительного перепускнаго канала 29 между поршнем и кожухам 15, образующими аэростатический подшипник. Поршень 43 снабжен цилиндрическими выступами 47 и 48, образующими в крайних положениях осевого хода пневматические буферные полости, исключающие удары о стенки цилиндра-ресивера 16. Сопряжения между поршнем и стенками канала по наружному и внутреннему диаметрам выполнены с канавками лабиринтных уплотнений; выпускные клапаны подпоршневых полостей выполнены в виде . шайб 49 с пружинами 50, имеющими описанное выше определенное усилие для автоматического открытия клапана, на торце поршня установлены толкатели 51 с пружиОдновременна сжатый воздух в воздухово I де 17 открывает клапаны 30 и обеспечивает ,50 продувку дополнительного перепускного канала 29; клапаны 31, 37 при этом закрыты, клапан 23 сначала тормозится давлением сжатага воздуха, останавливается, а затем движется обратно. После перекрытия поршнями окон 4, 5 продуктов заканчивается, осуществляется процесс сжатия, при этом сжатый воздух в полостях 35, 36, давление которого существенно возросло от подогрева, расширяется и совершает полезную работу, уменьшая усилия на поршнях в працессесжатия. Клапан 23 возвращается в
ЗО
45 нами 52. Возможно исполнение поршней без толкателей 51 и пружин 52, но с увеличенным ходом пружин 50 клапанов 49; поршни, выполненные с торцовой стенкой 53, а внутреннее аребрение поршня сообщено с воздушной форсункой 54.
Реализация способа работы и действие двигателя осуществляется следующим образам.
После прямоточно-вихревой продувки рабочей камеры цилиндра 1 через окна 4, 5 движущиеся навстречу друг другу поршни б, 7 осуществляют сжатие воздушного заряда, вблизи верхней мертвой точки форсункой 3 производится впрыск топлива и его последующее сгорание в интенсивной вихревой зоне камеры сгорания. В конце процесса расширения (при угле поворота вала примерно 120 от В.M,1), когда рабочая торцевая поверхность клапана 23 перемещаясь, обеспечивает свободный выпуск продуктов сгорания при значительном давлении (О 37 мПа) в дополнительный перепускной канал
29, вдоль которого распространяется ударная волна сжатия, пад воздействием которой закрываются клапаны ЗО, 37 и открывается клапан 31, сжатый воздух через отверстия 32, через каналы между ребрами 2, отверстия 33, 34 проникает в подпоршневые полости 35, 36 и в каналы между ребрами 13 и, охлаждая их, нагревается. В процессе свободного выпуска решетка 39 устраняет турбулизацию и интенсивное перемешивание горячих газов с хблодным воздухам, выравнивает фронт ударной волны. При фазе 140 клапан смещается дальше и его внутренняя кромка открывает кольцевую щель в канавку 25, и продукты сгорания через отверстия 26 расширяются в перепускной канал 28, осуществляя сжатие воздуха в полости канала и в воздуховаде 17, затем клапан перемещается в положение, при котором открываются выпускные окна 24 и впускные окна 4, осуществляется продувка рабочей камеры цилиндра 1 сжатым воздухом из полости 28
1776840 первоначальное положение, при котором выпускные отверстия 24 открыты в канал 28, сжатый воздух из коллектора 18 отжимает клапаны 20 и через отверстия 19, 24 вентилирует канал 28 от продуктов сгорания. В конце процесса сжатия давления в подпоршневых полостях. 35, 36 падает и уже не
-обеспечивает поддержание клапанов 37 в закрытом состоянии; последние силами упругости автоматически открываются и обеспечивают выпуск воздуха в процессе расширения через отверстия 38 в выпускной патрубок. Обратные клапаны 42 препятствуют "заклиниванию" воздуха в полостях
36 и каналах между ребрами 2 обеспечивая при энакопеременных направлениях его пульсации общее поступательное движение и замену горячего воздуха холодным. Действие варианта устройства (фиг.2) имеет следующие особенности. поршень 43 обеспечивает разделение горячих продуктов сгорания и холодного воздуха в дополнительной перепускной полости, позволяет уменьшить коэффициент избытка продувоч. ного воздуха, способствует более полному использованию энергии выпускных газов благодаря устранению дросселирования и
"мятия" газа при ударном расширении в канал 29. В. процессе свободного выпуска в отверстия 44 через клапан 45 проникает сжатый воздух, который через дроссельные отверстия 46 поступает в зазор газостатического подшипника и обеспечивает надежное безызносное и легкое движение поршня и бесконтактными уплотнениями.
Обратные клапаны 49, установленные на обоих концах цилиндра, закрываются толкателями 51 при подходе поршня к н.м.т.; при . положении поршня вблизи В.М.Т. они автоматически открываются пружинами 40 и обесточивают выпуск воздуха через отверстия 56. При отсутствии в конструкции толкателей 51 его функции выполняют непосредственно торцовая стенка 53 поршня. Вариация поршня с торцовой стенкой 53 обеспечивает охлаждение поршня внешним источником воздуха через форсунку 54, при этом охлаждение может быть более эффективным благодаря. меньшей температуре воздуха. Возможен упрощенный вариант способа работы и исполнения двигателя, ха рактеризующийся тем, что из устройства исключены канавки 25, отверстия 26. а выпускные отверстия 24 на всех режимах работы разобщены с каналом 28. Способы работы в этом варианте отличается тем, что после сжатия и перепуска воздуха из канала
29 в поршневые полости 35, 36 в процессе свободного выпуска исключается фаза перепуска продуктов сгорания в канал 28 и
25
30 ляют в выпускной патрубок, соединяя его с
45
55 выпуск газов происходит через отверстия 24 в турбонагреватель. Поджатие воздуха в канале 28 осуществляется при этом движением поршня-клапана 23.
Формула изобретения
1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем 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 путем перепуска продуктов сгорания в начале выпуска на вход перепускного канала, отсоединенного от впускного патрубка, причем часть воздуха сжимают в перепускном канале. отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности, перед перепуском продуктов сгорания на вход перепускного канала- осуществляют перепуск продуктовсгорания на входдополнительного перепускного канала, выход которого соединяют с подпоршневыми полостями цилиндра, во время продувки часть предварительно сжатого воздуха направляют на выход дополнительного перепускного канала оставшиеся продукты сгорания направвходом дополнительного перепускного канала, а в фазе расширения воздух из подпоршневых полостей цилиндра перепускают в выпускной патрубок, 2. Двигатель внутреннего сгорания. содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными впускным патрубком с источником предварительно сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускным патрубком чере3 выпускной коллектор, поршни, размещенные в цилиндре с воэможностью движения навстречу друг другу, перепускной канал, соединенный входом с выпуск-. ным патрубком через золотниковый клапан-распределитель, а выходом — с впускным патрубком, отличающийся тем. что, с целью повышения экономичности, он выполнен с подпоршневыми полостями и снабжен дополнительным перепускным каналом, вход которого соединен с выпускными окнами, и воздуховодом, соединяющим через первые обратные клапаны выход перепускного канала с выходом дополнительного перепускного канала, подпоршневые полости соединены через вторые обратные клапаны с выходом дополнительного перепускного канала и через третьи обратные клапаны с выпускным патрубком. а золотни1776840
Л
Л
Составитель К.Дементьев Ф "
Техред М.Моргентал Корректор Н.Реаская
Редактор
Заказ 4108 Тираж Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5
Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 ковый клапан-распределитель установлен в перепускном канале, 3. Двигатель по п.2, отличающийся тем, что дополнительный перепускной канал соединен с подпоршневыми полостями по- 5 средством воздушных каналов, образованных наружной поверхностью цилиндра с оребрением и установленным на ней кожухом.
4. Двигатель по пп.2 и 3, о т л и ч а ю щ и- 10 и с я тем, что перепускные каналы выполнены в виде коаксиального цилиндра-ресивера с выпускными отверстиями в наружной поверхности и.перепускной канавкой на внутренней поверхности, а золотниковый 15 клапан-распределитель выполнен в виде кольцевого поршня с радиальными отверстиями в направляющей поверхности.
5. Двигатель по пп.2-4, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что подпоршневые полости в по- 20 перечном сечении выполнены кольцевой формы и сообщены с внутренними полостями поршней, выполненными оребренными.
6. Двигатель по пп.2 — 4, о т л и ч а ю щ и- 25 и с я тем, что внутренние полости поршней разобщены с подпоршневыми полостями и связаны с источником сжатого воздуха.
7. Двигатель по пп.2-6, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что обратные клапаны выполнены
B виде упругих разрезных колец, размещенных в кольцевых канавках на сопряженных цилиндрических поверхностях.
8. Двигатель по пп.2-7, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что в одной канавке установлены два совмещенных в осевом направлении кольца, одно из которых сопряжено с внутренней, а другое — с наружной цилиндрической поверхностью.
9.Двигательпо пп 2,3;4и 6. отл и чаю шийся тем, что третьи обратные клапаны выполйены в виде подпружиненных кольцевых шайб, сопряженных с торцовыми стенками подпоршневых полостей и поршней.
10.Двигатель по пп.2,3,4,6,7и9, отл ич а ю шийся тем, что в дополнительном перепускном канале установлен дополнительный поршень с возможностью осевого перемещения.
11. Двигатель по пп.2, 3, 4, 6, 7, 9 и 10, отличающийся тем, что дополнительный поршень выполнен с внутренней полостью и снабжен четвертыми обратными клапанами и дросселирующими отверстиями с возможностью сообщения внутренних полостей дополнительного поршня и дополнительного перепускного канала.
