Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

 

Использование: поршневые бескарбюраторные двигатели внутреннего сгорания, работающие на жидком топливе. Цель: повышение КПД двигателя за счет увеличения полноты сгорания топлива. Сущность изобретения: в способе работы двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с поршнем с устройством для автоматического регулирования степени сжатия (ПАРСС) и раздельной подачей в цилиндр топлива и воздуха в конце выпуска отработавших газов объем камеры сжатия уменьшают до нуля с одновременным закрытием выпускного органа при положении поршня в верхней мертвой точке (ВМТ). Топливо перед подачей в цилиндр предварительно перегревают и подают его в образовавшийся в цилиндре вакуум после прохождения поршнем ВМТ и до открытия впускного органа. ДВС содержит ПАРСС в виде корпуса, связанного с шатуном, и стакана, подвижно размещенного на корпусе. Стакан в верхней его части выполнен с профилем, соответствующим внутренней поверхности головки цилиндра, и размещен на корпусе с возможностью беззазорного расположения относительно головки при положении поршня в ВМТ в конце выпуска отработавших газов. Газораспределительное устройство установлено в головке с возможностью вращения и выполнено в виде двух коаксиально размещенных с образованием кольцевого зазора труб с окнами. Перемычки между трубами образуют канал, соединяющий одно из окон наружной трубы с окном внутренней трубы. Этот канал образует выпускной орган. Впускной орган образован другим окном наружной трубы, которая размещена на головке с возможностью перекрытия впускно-выпускного отверстия в головке. Положительный эффект: повышение КПД и экологической чистоты ДВС за счет увеличения полноты сгорания топлива, возможность использования тяжелых низкосортных видов топлива. 2 с. п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к поршневым бескарбюраторным двигателям внутреннего сгорания, работающим на жидком топливе, и может быть использовано во всех областях техники, где применяются такие двигатели.

Известен способ работы двигателя внутреннего сгорания путем заполнения цилиндра воздухом, сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в цилиндр в конце такта сжатия, сжигания образовавшейся топливо-воздушной смеси, расширения продуктов сгорания на рабочем ходе и выпуска отработавших газов из цилиндра [1] .

Известен также двигатель внутреннего сгорания, работающий по этому способу и содержащий цилиндр с головкой, поршень, перемещающийся в цилиндре, впускной и выпускной клапаны и топливную форсунку [1] .

Недостатком этих способов и двигателя являются неудовлетворительная экономичность вследствие невысокой полноты сгорания топлива и отсутствие возможности регулирования степени сжатия топливо-воздушной смеси в процессе работы двигателя.

Известен также наиболее близкий к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату способ работы двигателя внутреннего сгорания с поршнем с устройством для автоматического регулирования степени сжатия, включающий раздельную подачу в цилиндр топлива и воздуха через впускной орган газораспределительного устройства с образованием топливо-воздушной смеси, сжатие смеси в камере сжатия при движении поршня к верхней мертвой точке, воспламенение, сгорание топлива, расширение продуктов сгорания при движении поршня к нижней мертвой точке и выпуск отработавших газов через выпускной орган газораспределительного устройства при движении поршня к верхней мертвой точке [2] .

Подачу топлива в цилиндр производят в конце такта сжатия за несколько градусов до прихода поршня в верхнюю мертвую точку.

Этот способ реализован в известном двигателе внутреннего сгорания с поршнем с устройством для автоматического регулирования степени сжатия. Этот поршень установлен в цилиндре и выполнен в виде корпуса, связанного с шатуном двигателя, стакана, подвижно размещенного на корпусе, и средства осевого перемещения стакана относительно корпуса. В головке цилиндра размещено газораспределительное устройство с впускным и выпускным органами, соединенными с магистралями подачи воздуха и отвода отработавших газов соответственно. Имеется также магистраль подачи топлива в цилиндр [2] .

Недостатком принятых в качестве прототипов способа работы и устройства двигателя внутреннего сгорания является то, что образование топливо-воздушной смеси происходит преимущественно в результате механического дробления частиц топлива и лишь в небольшой степени его испарения. При этом дисперсность частиц топлива далеко не достаточна, что не позволяет добиться делаемой полноты сгорания топлива и увеличения КПД двигателя.

Целью изобретения является повышение КПД двигателя за счет увеличения полноты сгорания топлива.

Цель достигается тем, что в способе работы двигателя внутреннего сгорания путем раздельной подачи в цилиндр топлива и воздуха через впускной орган газораспределительного устройства с образованием топливо-воздушной смеси, сжатия смеси в камере сжатия при движении поршня с устройством для автоматического регулирования степени сжатия к верхней мертвой точке, воспламенения, сгорания, расширения продуктов сгорания при движении поршня к нижней мертвой точке и выпуска отработавших газов через выпускной орган газораспределительного устройства при движении поршня к верхней мертвой точке, согласно изобретению в конце выпуска отработавших газов объем камеры сжатия уменьшают до нуля с одновременным закрытием выпускного органа при положении поршня в верхней мертвой точке. Топливо перед подачей в цилиндр предварительно перегревают и подают его в создаваемый в цилиндре вакуум после прохождения поршнем верхней мертвой точки и до открытия впускного органа.

Цель достигается также тем, что двигатель внутреннего сгорания, работающий по описанному выше способу, содержит по меньшей мере один цилиндр с головкой, газораспределительное устройство и поршень с устройством для автоматического регулирования степени сжатия. Поршень размещен в цилиндре и выполнен в виде корпуса, связанного с шатуном двигателя, стакана, подвижно размещенного на корпусе, и средства осевого перемещения стакана относительно коpпуса. Стакан в верхней его части выполнен с профилем, соответствующим внутренней поверхности головки цилиндра, и размещен на корпусе с возможностью беззазорного расположения относительно головки при положении поршня в верхней мертвой точке в конце выпуска отработавших газов. Газораспределительное устройство установлено в головке, выполненной с впуско-выпускным отверстием, с возможностью вращения и выполнено в виде коаксиально размещенных с образованием кольцевого зазора наружной и внутренней труб с окнами. Эти трубы связаны между собой перемычками, образующими канал, соединяющий одно из окон наружной трубы с окном внутренней трубы и являющийся выпускным органом, сообщенным с магистралью отвода отработавших газов через внутреннюю трубу. Впускной орган образован другим окном наружной трубы, причем наружная труба расположена с возможностью перекрытия впуско-выпускного отверстия головки, а впускной орган соединен с магистралью подачи воздуха через кольцевой зазор.

На фиг. 1 показано схематическое изображение двигателя перед началом такта всасывания; на фиг. 2 - схематическое изображение двигателя в момент впрыска; на фиг. 3 - схематическое изображение двигателя в момент впуска воздуха; на фиг. 4 - то же, поперечный разрез; на фиг. 5, 6- схематическое изображение двигателя в начале и в конце такта сжатия топливо-воздушной смеси; на фиг. 7 - схематическое изображение двигателя в момент воспламенения смеси; на фиг. 8 - схематическое изображение двигателя в конце рабочего хода поршня; на фиг. 9 - схематическое изображение двигателя на такте выпуска отработавших газов; на фиг. 10 - то же, поперечный разрез; на фиг. 11 - двигатель, продольный разрез; на фиг. 12 - разрез А-А на фиг. 11; на фиг. 13 - диаграмма рабочего цикла двигателя.

Двигатель внутреннего сгорания включает в себя (фиг. 1) цилиндр 1 с головкой 2, установленный в цилиндре 1 поршень 3, связанный с шатуном 4, газораспределительное устройство 5, размещенное в головке 2 цилиндра 1, топливную форсунку 6, свечу 7 зажигания и магистрали подачи топлива, воздуха и отвода отработавших газов (на чертеже условно не показаны).

Поршень 3 (фиг. 11, 12) имеет конструкцию, аналогичную известным поршням с устройством для автоматического регулирования степени сжатия и состоит из корпуса 8, связанного с шатуном 4, подвижно установленного на корпусе 8 стакана 9 и средства осевого перемещения стакана 9 относительно корпуса 8, например пружины 10, связывающей между собой корпус 8 и стакан 9. Верхняя часть стакана 9 имеет профиль, соответствующий внутренней поверхности головки 2, причем стакан 9 размещен на корпусе 8 таким образом, что при положении поршня 3 в верхней мертвой точке в конце выпуска отработавших газов стакан 9 располагается относительно головки 2 беззазорно. Верхняя торцовая поверхность стакана 9 снабжена выступом 11, входящим во впуско-выпускное отверстие 12 в головке 2, предназначенное для прохода воздуха и отработавших газов.

Газораспределительное устройство (фиг. 11, 12) выполнено в виде двух коаксиально размещенных с образованием кольцевого зазора труб13 и 14, соединенных между собой перемычками 15 и установленных с возможностью вращения в головке 2. Наружная труба 13 размещена в головке 2 так, что она перекрывает впуско-выпускное отверстие 12. Обе трубы 13 и 14 снабжены окнами. Окно 16 в трубе 13 образует впускной орган для прохода воздуха в цилиндр 1 из магистрали подачи воздуха через зазор между трубами 13 и 14 и отверстие 12. Перемычки 15 образуют выпускной орган в виде канала 17, соединяющего оппозитно расположенные окна в трубах 13 и 14 и сообщенного с магистралью отвода отработавших газов через внутреннюю трубу 14.

Привод вращения газораспределительного устройства 5 осуществляется от коленвала двигателя с соотношением угловых скоростей 1: 2.

Ниже приводится описание работы двигателя согласно заявленному способу работы, причем на фиг. 1-10 показано схемное изображение двигателя с указанием взаимного расположения основных элементов (поз. 1-7), а элементы поз. 8-17 показаны на фиг. 11-12.

В момент окончания выпуска отработавших газов (фиг. 1) поршень 3 находится в верхней мертвой точке (ВМТ). При этом стакан 9 расположен беззазорно относительно внутренней поверхности головки 2 и, следовательно, объем камеры сжатия цилиндра 1 в данный момент равен нулю. Пружина 10 частично сжата. Газораспределитель 5 вращается, наружная поверхность трубы 13 перекрывает отверстие 12 в головке 2. Таким образом, в цилиндре 1 нет ни продуктов сгорания, ни воздуха, ни топлива.

При движении поршня 3 вниз от ВМТ в начале такта всасывания (фиг. 2) впуско-выпускное отверстие 12 по-прежнему перекрыто поверхностью наружной трубы 13 и воздух не поступает в цилиндр 1, следовательно, в цилиндре создается вакуум. Пружина 10 постепенно разжимается. В определенный момент времени в образовавшийся в цилиндре 1 вакуум через форсунку 6 производится впрыск порции перегретого топлива. Попав в вакуумное пространство в цилиндре, мелкодисперсно распыленное топливо мгновенно полностью испаряется, образуя пар, заполняющий весь имеющийся в этот момент времени объем камеры сжатия. При продолжении движения поршня 3 вниз (фиг. 3) происходит дальнейшее вращение газораспределительного устройства 5 и окно 16 в наружной трубе 13 совмещается с впуско-выпускным отверстием 12 в головке 12, в результате чего обеспечивается поступление воздуха в цилиндр 1 из воздушной магистрали через кольцевой зазор между трубами 13 и 14.

Воздух, поступая в цилиндр 1, перемешивается с парами топлива и образует гомогенную парогазовую смесь. Затем газораспределитель 5 перекрывает впуско-выпускное отверстие 12 и поступление воздуха прекращается.

После прохождения поршнем 3 нижней мертвой точке (НМТ) (фиг. 5, 6) начинается сжатие в цилиндре 1 топливо-воздушной смеси. По мере продвижения поршня 3 вверх от НМТ происходит сжатие пружины 10 и при нахождении поршня 3 в ВМТ пружина 10 сжата полностью, благодаря чему между стаканом 9 и головкой 2 остается зазор, образующий необходимый объем камеры сжатия. Затем происходит воспламенение топливо-воздушной смеси от свечи 7 зажигания (фиг. 7), сгорание топлива и расширение продуктов сгорания при движении поршня 3 к НМТ.

По окончании рабочего хода, т. е. после прохождения поршнем 3 НМТ при расширении продуктов сгорания, поршень 3 начинает движение вверх от НМТ (фиг. 9. 10). При этом газораспределитель 5, вращаясь, совмещает с отверстием 12 канал 17, через который происходит удаление из цилиндра 1 отработавших газов через трубу 14 в соответствующую магистраль отвода отработавших газов. Пружина 10 начинает разжиматься и в конце выпуска отработавших газов при положении поршня 3 в ВМТ стакан 9 плотно прилегает к головке 2, выступ 11 входит в отверстие 12 снизу, а поверхность трубы 13 одновременно с приходом поршня 3 в ВМТ перекрывает отверстие 12 сверху. Таким образом, обеспечивается полное удаление отработавших газов и объем камеры сжатия вновь становится равным нулю.

На фиг. 13 изображена диаграмма рабочего цикла двигателя, работающего по описанному способу. Отличие от диаграммы рабочего цикла двигателей известной конструкции заключается в том, что ход всасывания начинается при объеме камеры сжатия, равном нулю (V_ксж. = 0) и давлении в цилиндре, равном нулю (Р_ц= 0), в этой же точке завершится и ход выпуска отработавших газов. Это позволяет практически до нуля уменьшить коэффициент остаточных газов и соответственно увеличить коэффициент наполнения цилиндра, т. е. добиться увеличения литровой мощности двигателя примерно на 6-9% для карбюраторных двигателей и на 3-4% для дизельных двигателей.

Кроме того, по сравнению с известными двигателями обеспечивается повышение полноты сгорания топлива благодаря образованию в цилиндре качественной топливо-воздушной смеси, причем дисперсность частиц топлива практически приближается к молекулярному уровню с соответствующим увеличением поверхности окисления. Увеличение полноты сгорания топлива обеспечивает повышение КПД двигателя. Это же обстоятельство позволяет улучшить экологические показатели двигателя или использовать более тяжелые, низкосортные виды топлива.

(56) 1. Авторское свидетельство СССР N 1348542, кл. F 02 B 37/00, 1985.

2. Демидов В. П. Двигатели с переменной степенью сжатия. М. : Машиностроение, 1978, с. 6-7, с. 50, рис. 54, с. 83, рис. 84.

Формула изобретения

1. Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем раздельной подачи в цилиндр топлива и воздуха через впускной орган газораспределительного устройства с образованием топливно-воздушной смеси, сжатия смеси в камере сжатия при движении поршня с устройством для автоматического регулирования степени сжатия к верхней мертвой точке, воспламенения, сгорания, расширения продуктов сгорания при движении поршня к нижней мертвой точке и выпуска отработавших газов через выпускной орган газораспределительного устройства при движении поршня к верхней мертвой точке, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем увеличения полноты сгорания топлива, в конце выпуска отработавших газов объем камеры сжатия уменьшают до нуля с одновременным закрытием выпускного органа при положении поршня в верхней мертвой точке, перед подачей в цилиндр топливо предварительно перегревают и подачу предварительно перегретого топлива осуществляют в создаваемый в цилиндре вакуум после прохождения поршнем верхней мертвой точки и до открытия впускного органа.

2. Двигатель внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере один цилиндр с головкой, поршень с устройством для автоматического регулирования степени сжатия, размещенный в цилиндре и выполненный в виде корпуса, связанного с шатуном, стакана, подвижно размещенного на корпусе, и средства осевого перемещения стакана относительно корпуса, установленное в головке цилиндра газораспределительное устройство с впускным органом, соединенным с магистралью подачи воздуха, и впускным органом, сообщенным с магистралью отвода отработавших газов, и магистраль подачи в цилиндр топлива, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД путем увеличения полноты сгорания топлива, стакан в верхней его части выполнен с профилем, соответствующим внутренней поверхности головки, и размещен на корпусе с возможностью беззазорного расположения относительно головки при положении поршня в верхней мертвой точке в конце выпуска отработавших газов, газораспределительное устройство установлено в головке, выполненной с впуско-выпускным отверстием, с возможностью вращения и выполнено в виде коаксиально размещенных с образованием кольцевого зазора наружной и внутренней труб с окнами, связанных между собой при помощи перемычек, образующих канал, соединяющий одно из окон наружной трубы с окном внутренней трубы и образующий выпускной орган, сообщенный с магистралью отвода отработавших газов через внутреннюю трубу, впускной орган образован другим окном наружной трубы, расположенной с возможностью перекрытия впуско-выпускного отверстия головки, и соединен с магистралью подачи воздуха через кольцевой зазор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13