Система газообмена двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в машиностроении, в двухтактных и четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания, а также в пульсирующих воздушно-реактивных двигателях внутреннего сгорания. Сущность изобретения: система газообмена двигателя внутреннего сгорания содержит, по меньшей мере, одну рабочую камеру, индивидуальный выпускной трубопровод настроенной длины, подключенный к последней через выпускное окно и состоящий из проточного тупикового участков, механизм, управляющий выпускным окном, выполненный с возможностью закрытия выпускного окна в начале сжатия, в боковой поверхности участка выпускного трубопровода, прилегающего к рабочей камере, выполнено отверстие или pазpыв, входящие в окружающую среду, или фильтр, или впускной трубопровод. 16 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в двухтактных и четырехтактных поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС), а также в пульсирующих воздушно-реактивных ДВС.

Известна система газообмена ДВС [1] содержащая по меньшей мере одну рабочую камеру, индивидуальный выпускной трубопровод настроенной длины, подключенный к рабочей камере через выпускное окно и состоящий из проточного тупикового участков, механизм, управляющий выпускным окном, выполненный с возможностью закрытия выпускного окна и в начале сжатия. Данное устройство выбрано за прототип.

Недостатком известного устройства прототипа [1] являются: недостаточная эффективность ДВС вследствие использования для дозарядки рабочей камеры попавшего в выпускной трубопровод свежего заряда, который прошел через рабочую камеру, а значит, имеет повышенную температуру, насыщен отработавшими газами (ОГ) и имеется в малом количестве; значительные габариты выпускного трубопровода в следствие соосного расположения тупикового участка за проточным участком, и, следовательно, движения волны сжатия используемой для дозарядки по горячим газам; потери сжатого свежего заряда во впускной трубопровод в конце дозарядки рабочей камеры, когда давление в выпускном трубопроводе становится выше давления во впускном трубопроводе и имеется перекрытие фаз впускного и выпускного окон.

Целью изобретения является повышение эффективности двигателя за счет снижения температуры наддувочного заряда.

Поставленная цель достигается тем, что в системе газообмена ДВС, содержащей по меньшей мере одну рабочую камеру, индивидуальный выпускной трубопровод настроенной длины, подключенный к последней через выпускное окно и состоящий из проточного и тупикового участков; механизм, управляющий выпускным окном, выполненный с возможностью закрытия выпускного окна в начале сжатия, в отличие от прототипа, в боковой поверхности участка выпускного трубопровода, прилегающего к рабочей камере, выполнено отверстие или разрыв, выходящее в окружающую среду, или фильтр, или впускной трубопровод.

При этом к отверстию или разрыву пристыкована трубка.

При этом вход в трубку расположен во впускном ресивере.

При этом вход в трубку выполнен напротив входа во впускной трубопровод.

При этом тупиковый участок пристыкован к боковой поверхности проточного участка между выходным концом проточного участка и отверстием или разрывом.

При этом тупиковый участок сообщен с проточным участком вблизи выпускного окна рабочей камеры; отверстие или разрыв выполнено в стенке тупикового участка.

При этом в отверстии или разрыве, или трубке установлен обратный выпускной клапан.

При этом, преимущественно в четырехтактном двигателе, механизм, управляющий выпускным окном, выполнен в виде вращающегося кулачка, действующего на клапан, с возможностью дополнительного открытия выпускного окна на такте впуска.

При этом, преимущественно в четырехтактном двигателе, в проточном участке между его выходным концом и отверстием или разрывом установлен обратный клапан с минимальным сопротивлением в направлении выходного конца.

При этом, преимущественно в четырехтактном двигателе, в проточном участке между его выходным концом и местом присоединения тупикового участка установлен обратный клапан с минимальным сопротивлением в направлении выходного конца.

При этом во впускном трубопроводе установлен обратный клапан с возможностью полного перекрытия впускного трубопровода в направлении к его выходному концу.

При этом полость между впускным окном и обратным клапаном сообщена с аккумулирующей камерой.

При этом обратный клапан установлен с возможностью перекрытия тыльной стороной его подвижной пластины прохода в аккумулирующую камеру в положении полного открытия сечения впускного трубопровода.

При этом, преимущественно в ДВС с парами рабочих камер, имеющих сдвиг фаз на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окно, на каждую пару выполнен общий тупиковый участок.

При этом тупиковые участки пары рабочих камер сообщены между собой на свободных концах, и тем самым образуют трубку наддува; отверстие или разрыв, или трубка выполнены в средней части трубки наддува.

При этом на каждую пару выполнен общий проточный участок, подключенный к средней части трубки наддува; отверстия или разрывы, или трубки выполнены на боковых поверхностях, примыкающих к каждой рабочей камере участков трубки наддува.

При этом, преимущественно в ДВС с парами рабочих камер, имеющих сдвиг фаз на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окон, входы в трубки пары выполнены друг против друга.

Выполнение в боковой поверхности участка выпускного трубопровода, прилегающего к рабочей камере, отверстия или разрыва, выходящего в окружающую среду, или фильтр, или впускной трубопровод, позволяет при возникновении разрежения в участке выпускного трубопровода перед отверстием или разрывом, выходящим в окружающую среду, или фильтр, или впускной трубопровод, дополнительно впускать (эжектировать) свежий заряд в прилегающий к рабочей камере участок выпускного трубопровода из окружающей среды, или фильтра, или впускного трубопровода, что приводит к снижению температуры наддувочного заряда, повышение его плотности и чистоты от ОГ, увеличению его количества, снижению средней температуры газов в участке выпускного трубопровода, следовательно, увеличению заряда в рабочей камере и уменьшению габаритов выпускного трубопровода, а следовательно, и повышению эффективности двигателя.

Пристыковка трубки к отверстию или разрыву позволяет увеличить поступление свежего заряда в прилегающий к рабочей камере участок выпускного трубопровода, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение входа в трубку во впускном ресивере или в фильтре позволяет снизить шум двигателя.

Выполнение входа в трубку напротив входа во впускной трубопровод позволяет использовать волны сжатия, подходящие по трубке для повышения давления во впускном ресивере и во впускном трубопроводе, что улучшает продувку и наполнение рабочей камеры, и, следовательно, повышает эффективность двигателя.

Пристыковка тупикового участка к боковой поверхности проточного участка между выходным концом проточного участка и отверстием, или разрывом позволяет уменьшить габариты (объем) выпускного трубопровода вследствие сокращения участков пути движения волны сжатия (в прямом и обратном направлении), проходящего по горячим ОГ, и расширить возможности компактной компоновки выпускного трубопровода, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Сообщение тупикового участка с проточным участком вблизи выпускного окна рабочей камеры и наполнение отверстия или разрыва в стенке тупикового участка позволяют уменьшить габариты выпускного трубопровода, вследствие прохождения волны сжатия, используемой для наддува рабочей камеры, только по холодным газам и, следовательно, с меньшей скоростью, уменьшить подогрев и увеличить количество свежего заряда, поступающего в выпускной трубопровод, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение в отверстии или разрыве, или трубке обратного впускного клапана позволяет предотвратить выброс газов из выпускного трубопровода, минуя выпускной ресивер, увеличить амплитуду волн, снизить температуру и увеличить количество свежего заряда, поступающего в выпускной трубопровод, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение, преимущественно в четырехтактном двигателе, механизма, управляющего выпускным окном, в виде вращающегося кулачка, действующего на клапан с возможностью дополнительного открытия выпускного окна на такте впуска позволяет увеличить время-сечение процесса впуска за счет дополнительного впуска свежего заряда из окружающей среды через элементы выпускного трубопровода и выпускное окно, используя разрежение, возникающее в рабочей камере на такте впуска, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение преимущественно в четырехтактном двигателе, в проточном участке между его выходным концом и отверстием или разрывом (местом присоединения тупикового участка) обратного клапана с минимальным сопротивлением в направлении выходного конца позволяет уменьшать смешивание и поступление ОГ со свежим зарядом в период впуска, значит повысить наполнение рабочей камеры, уменьшить теплонапряженность, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение во впускном трубопроводе обратного клапана с возможностью полного перекрытия впускного трубопровода в направлении к его входному концу позволяет уменьшить потери сжатого свежего заряда во впускной трубопровод в конце дозарядки рабочей камеры, когда давление свежего заряда в выпускном трубопроводе становится выше чем давление во впускном трубопроводе и имеется перекрытие фаз впускного и выпускного окон, а также аккумулировать этот свежий заряд для использования его в следующем цикле в качестве продувочного, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение полости между впускным окном и обратным клапаном, сообщающейся с аккумулирующей камерой, позволяет увеличить количество сжатого свежего заряда, используемого для продувки, значит уменьшить потребность в отраженной волне разрежения для продувки и увеличить энергетическую долю отраженной волны сжатия, используемой для наддува, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Установка обратного клапана с возможностью перекрытия тыльной стороной его подвижной пластины прохода в аккумулирующую камеру в положении полного открытия сечения впускного трубопровода позволяет уменьшить демпфирование волн сжатия и разрежения аккумулирующей камерой, и в полной мере использовать аккумулирующую камеру в периоды наддува и продувки, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение, преимущественно в ДВС с парами рабочих камер, имеющих сдвиг фаз на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окон, на каждую пару общего тупикового участка позволяет уменьшить габариты выпускного трубопровода и использовать энергию волны сжатия, формирующейся в проточном участке выпускного трубопровода, одной рабочей камеры для наддува другой рабочей камеры, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение тупиковых участков пары рабочих камер сообщенными между собой на свободных концах и тем самым образующих трубку наддува и отверстия, или разрыва, или трубки в средней части трубки наддува уменьшает габариты выпускного трубопровода и расширяет компоновочные возможности системы газообмена, следовательно, повышает эффективность двигателя.

Выполнение на каждую пару общего проточного участка, подключенного к средней части трубки наддува; отверстий или разрывов, или трубок на боковых поверхностях, примыкающих к каждой рабочей камере участков трубки наддува, позволяет уменьшить габариты выпускного трубопровода, следовательно, повысить эффективность двигателя.

Выполнение входов в трубки пары рабочих камер друг против друга, преимущественно в ДВС с парами рабочих камер, имеющих сдвиг на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окон, позволяет увеличить подачу свежего заряда и выпускной трубопровод в период дозарядки, следовательно, повысить эффективность двигателя.

На фиг. 1 представлена схема системы газообмена ДВС и диаграмма движения волн; на фиг. 2 фазы газораспределения двухтактного ДВС; на фиг. 3 фазы четырехтактного ДВС, с двухкратным за цикл открытием выпускного окна; на фиг. 4 фазы четырехтактного ДВС, с однократным за цикл открытием выпускного окна; на фиг. 5 схема системы газообмена четырехтактного ДВС; на фиг. 6 схема впускного клапана; на фиг. 7 схема выполнения системы на паре рабочих камер, имеющих сдвиг фаз на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окон.

Система газообмена ДВС (фиг. 1) содержит по меньшей мере проточный участок 1 выпускного трубопровода, подключенный к рабочей камере 2 через выпускное окно (не показано); в боковой поверхности проточного участка 1 выполнено отверстие 4, выходящее в окружающую среду; тупиковый участок 5 выпускного трубопровода выполнен соосно и непосредственно за проточным участком 1 с зазором 6. В качестве рабочей камеры 2 может использоваться цилиндр двухтактного ДВС с симметричными фазами газораспределения (фиг. 2).

Описанная система работает следующим образом: при открытии выпускного окна ОГ выходят из рабочей камеры 2 в проточный участок 1 с образованием в нем волны сжатия "А" (фиг. 1); при прохождении волны сжатия "А" через зазор 6 происходит частичный выпуск ОГ из выпускного трубопровода с формированием отраженной волны разрежения "Б", движущейся к рабочей камере 2, и проход части волны сжатия "А" в тупиковый участок 5 волной сжатия "В", которая от расширяющегося участка отражается волной разрежения "Г", а от сужающегося - волной сжатия "Д", волны разрежения "Б" и "Г" движутся к рабочей камере 2; при понижении давления в проточном участке 1 перед выпускным окном, вследствие подхода волн разрежения "Б" и "Г" улучшается отсос ОГ, продувка рабочей камеры 2 свежим зарядом из впускного окна рабочей камеры, происходит заброс продувочного заряда, имеющего повышенную температуру и насыщенного ОГ, в проточный участок 1; при понижении давления в проточном участке 1 перед отверстием 4 ниже давления окружающей среды происходит подсос (эжектирование) свежего заряда (воздуха), имеющего пониженную температуру и повышенную плотность, из окружающей среды в проточный участок 1 и оттеснение продувочного заряда ближе к зазору 6; после закрытия впускного окна рабочей камеры0 через приоткрытое окно происходит дозарядка (наддув) рабочей камеры 2 свежим зарядом повышенной плотности, чистоты от ОГ и пониженной температуры из проточного участка 1 волной сжатия "Д".

Система газообмена может быть также выполнена на четырехтактном ДВС и двухтактным за цикл открытием выпускного окна, обеспечиваемого самостоятельными выступами кулачка и имеющего фазы, приведенные на фиг. 3, или с однократным открытием, обеспечиваемым кулачком, имеющим один выступ, обеспечивающий открытие выпускного окна в конце рабочего хода и закрытие в начале сжатия в рабочей камере (фиг. 4).

Система газообмена (фиг. 5), использующая в качестве рабочей камеры 2 цилиндр четырехтактного поршневого ДВС, содержит индивидуальный впускной трубопровод 13, с установленным в нем обратным клапаном 14, подключенный к рабочей камере 2 через впускное окно, снабженное впускным клапаном 15; проточный участок 1 подключен к рабочей камере 2 через выпускное окно с установленным в нем выпускным клапаном 16 приводимым кулачком 17, содержащим единственный выступ; проточный участок 1 на конце, выходящем в ресивер 3, выполнен расширяющимся; тупиковый участок 5 сообщен с проточным участком 1 вблизи рабочей камеры одним концом и с впускным трубопроводом 13 через трубку 18 с установленным в ней обратным впускным (из впускного трубопровода в тупиковый участок 5) клапаном 19 ближе к противоположному концу; в проточном участке 1 между местом присоединения тупикового участка 5 и концом проточного участка 1, выходящего в ресивер 3, ближе к месту соединения участков 1 и 5 установлен обратный клапан 20, имеющий минимальное сопротивление потоку в направлении от рабочей камеры 2 к ресиверу 3.

Описанная система работает следующим образом: при открытии выпускного окна выпускным клапаном 16, управляемым вращающимся кулачком 17 согласно фиг. 4, ОГ выходят из рабочей камеры 2 в проточный 1 и тупиковый 5 участки выпускного трубопровода с образованием в них волн сжатия; при повышении давления перед обратными клапанами 20 и 19, последний закрывает проход во впускной трубопровод 13, а клапан 20 открывает проход в направлении к выпускному ресиверу 3; при подходе поршня к верхней мертвой точке клапан 15 открывает впускное окно, у выпускного окна давление понижается вследствие прихода отраженной от ресивера 3 волны разрежения, при этом начинается продувка рабочей камеры 2 сжатым свежим зарядом, находящимся во впускном трубопроводе 13 ниже по потоку от обратного клапана 14, и продувка части тупикового участка 5 выпускного трубопровода, расположенной между обратным клапаном 19 и местом сообщения с проточным участком 1 выпускного трубопровода, ближе к последнему свежим зарядом из средней части тупикового участка 5; при движении поршня к нижней мертвой точке происходит впуск свежего заряда в рабочую камеру 2 из трубопроводов 13 и 8, при этом в последних формируются волны разрежения, в этот период обратный клапан 20 закрыт; перед закрытием впускного и выпускного окон рабочей камеры 2 происходит предварительный наддув рабочей камеры 2 из впускного трубопровода 13 отраженной волной сжатия, а затем наддув рабочей камеры из выпускного трубопровода отраженной волной сжатия, подходящей в этот момент по тупиковому участку 5; в этот период, при повышении давления во впускном трубопроводе 13 ниже по потоку от обратного клапана 14, последний закрывается, и начинается процесс аккумулирования свежего заряда во впускном трубопроводе между обратным клапаном 14 и впускным окном, за счет повышения давления в рабочей камере от наддува волной сжатия, подошедшей из тупикового участка 5; в этот же период происходит всасывание свежего заряда из впускного трубопровода 13 в тупиковый участок 5 выпускного трубопровода через трубку 12 и обратный клапан 19, сжатый свежий заряд, находящийся во впускном трубопроводе 13 между обратным клапаном 14 и закрытым впускным окном, используется в следующем цикле для улучшения продувки и наполнения рабочей камеры 2. Таким образом, увеличивается время-сечение в период наполнения рабочей камеры, и для наполнения и наддува используется свежий заряд повышенной плотности и чистоты от ОГ и пониженной температуры, что повышает эффективность двигателя.

В случае выполнения впускного трубопровода 13 с установленным в нем обратным клапаном, состоящим из подвижной пластины 21 (фиг. 5) и ограничителя клапана 22, в отверстие которого входит канал 23, сообщающий впускной трубопровод 13 с аккумулирующей камерой 24, при снижении давления за клапаном (со стороны рабочей камеры) в период продувки в рабочую камеру 2 поступает сжатый свежий заряд из аккумулирующей камеры 24, затем подвижная пластина 21 открывает проходное сечение впускного трубопровода 13 и своей тыльной стороной перекрывает канал 23, сообщающий впускной трубопровод 13 с аккумулирующей камерой 24; при повышении давления за клапаном, вследствие подхода к рабочей камере 2 отраженных волн сжатия, подвижная пластина 21 перекрывает проходное сечение впускного трубопровода 13 и своей тыльной стороной открывает канал 16, пропуская сжатый свежий заряд в аккумулирующую камеру.

В двигателе, содержащем пару рабочих камер, имеющих сдвиг фаз и перекрытие фаз выпускным окон, (фиг. 6) соответствующие тупиковые участки сообщены между собой на свободных концах и тем самым образуют трубку наддува 25, сообщающую проточные участки 1а и 1б выпускных трубопроводов пары рабочих камер 2а и 2б; к средней части трубки наддува 25 пристыкована трубка 18 с установленным в ней общим обратным впускным клапаном 19.

Система газообмена описанного исполнения работает следующим образом; при открытии выпускного окна рабочей камеры 2а отработавшие газы выходят в проточный участок 1а и трубку наддува 25 с образованием в последних волн сжатия; волна сжатия, проходящая по трубке наддува 25 к рабочей камере 2б, обеспечивает наддув последней свежим зарядом, находящимся в трубке наддува 25, в период перекрытия фаз выпускных окон, в период подхода отраженной волны разрежения по проточному участку 1а к трубке наддува 25, в последней понижается давление и происходит продувка трубки наддува 25 свежим зарядом, поступающим через трубку 18 и обратный впускной клапан 19; при открытии выпускного окна рабочей камеры 2б цикл работы повторяется симметрично относительно трубки 18.

Формула изобретения

1. Система газообмена двигателя внутреннего сгорания, содержащая по меньшей мере одну рабочую камеру, индивидуальный выпускной трубопровод настроенной длины, подключенный к последней через выпускное окно и состоящий из проточного и тупикового участков, механизм, управляющий выпускным окном, выполненный с возможностью закрытия выпускного окна в начале сжатия, отличающаяся тем, что в боковой поверхности участка выпускного трубопровода, прилегающего к рабочей камере, выполнены отверстие, или разрыв, выходящее в окружающую среду, или фильтр, или впускной трубопровод.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что к отверстию или разрыву пристыкована трубка.

3. Система по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что вход в трубку расположен во впускном ресивере.

4. Система по пп.2 и 3, отличающаяся тем, что вход в трубку выполнен напротив входа во впускной трубопровод.

5. Система по пп. 1 4, отличающаяся тем, что тупиковый участок пристыкован к боковой поверхности проточного участка между выходным концом проточного участка и отверстием или разрывом.

6. Система по пп. 1 4, отличающаяся тем, что тупиковый участок сообщен с проточным участком вблизи выпускного окна рабочей камеры, отверстие или разрыв выполнены в стенке тупикового участка.

7. Система по пп. 1 6, отличающаяся тем, что в отверстии, или разрыве, или трубке установлен обратный впускной клапан.

8. Система по пп. 1 7 преимущественно четырехтактного двигателя, отличающаяся тем, что механизм, управляющий выпускным окном, выполнен в виде вращающегося кулачка, действующего на клапан с возможностью дополнительного открытия выпускного окна на такте впуска.

9. Система по пп. 1 4 преимущественно четырехтактного двигателя, отличающаяся тем, что в проточном участке между его выходным концом и отверстием или разрывом установлен обратный клапан с минимальным сопротивлением в направлении выходного конца.

10. Система по пп. 5 8, преимущественно четырехтактного двигателя, отличающаяся тем, что в проточном участке между его выходным концом и местом присоединения тупикового участка установлен обратный клапан с минимальным сопротивлением в направлении выходного конца.

11. Система по пп. 1 10, отличающаяся тем, что во впускном трубопроводе установлен обратный клапан с возможностью полного перекрытия впускного трубопровода в направлении к его входному концу.

12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что полость между впускным окном и обратным клапаном сообщена с аккумулирующей камерой.

13. Система по п. 12, отличающаяся тем, что обратный клапан установлен с возможностью перекрытия тыльной стороной его подвижной пластины прохода в аккумулирующую камеру в положении полного открытия сечения впускного трубопровода.

14. Система по пп. 5 13 преимущественно с парами рабочих камер, имеющих сдвиг фаз на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окон, отличающаяся тем, что на каждую пару выполнен общий тупиковый участок.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что тупиковые участки пары рабочих камер сообщены между собой на свободных концах и тем самым образуют трубку наддува, отверстие, или разрыв, или трубка выполнены в средней части трубки наддува.

16. Система по п. 15, отличающаяся тем, что на каждую пару выполнен общий проточный участок, подключенный к средней части трубки наддува, отверстия, или разрывы, или трубки выполнены на боковых поверхностях, примыкающих к каждой рабочей камере участков трубки наддува.

17. Система по пп. 2, 3 и 8 13 преимущественно с парами рабочих камер, имеющих сдвиг фаз на 1/2 цикла и перекрытие фаз выпускных окон, отличающаяся тем, что входы в трубки пары выполнены друг напротив друга.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7