Двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением (с впрыском топлива) со сверхвысокими (более 19) регулируемыми степенями сжатия

 

Использование: в тепловых двигателях, в частности, в двигателях внутреннего сгорания с впрыском топлива и высокой степенью сжатия. Сущность изобретения: двигатель внутреннего сгорания, работающий в формированном режиме с большой степенью сжатия, содержит однорядный блок цилиндров на каждые два параллельно установленные в картере коленчатых вала, синхронизированных одинаковым числом зубьев и двумя шатунами на каждый поршень с компенсирующим шарнирным звеном между шатунами и поршнем, в каждом цилиндре установлены сбросной клапан сжимаемого воздуха, регулирующий степень сжатия в цилиндре, а устройство управления регулирует степень сжатия сбросным клапаном и подачу топлива топливным насосом с возможностью получения оптимального режима горения, поршни имеют вихреобразующие радиально-изогнутые левосторонние или правосторонние каналы или радиальные каналы, или комбинацию тех и других, расходящихся от камеры сжатия к периферии. Изобретение обеспечивает: улучшение экономических и экологических показателей двигателя. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к тепловым двигателям, в частности к двигателям внутреннего сгорания с впрыском топлива и высокой степенью сжатия, применяемым на автомобильном, железнодорожном, морском и речном транспорте и в авиации.

Известны конструкции двигателей внутреннего сгорания с впрыском топлива и высокими степенями сжатия, состоящие из одного или нескольких блоков цилиндров с поршнями, связанными шатунами с коленвалом, имеющие форсунки для впрыска топлива в цилиндры и топливные насосы, обеспечивающие высокое давление впрыска и регулирование количества впрыскиваемого топлива (Н.В.Иноземцев. Курс тепловых двигателей. Издание 3-е. Государственное издательство оборонной промышленности. Москва.1954 г, стр.276).

В таких двигателях степень сжатия постоянная и в зависимости от конструкции двигателя находится в пределах от 13,0 до 21,0, и работают они от холостого хода и до максимальной мощности при постоянном количестве сжимаемого воздуха, что обеспечивает постоянную степень сжатия. Частоту вращения коленвала двигателя и его мощность регулируют подачей различных количеств топлива. Это делает недостаточно управляемым процесс сгорания топлива и приводит к образованию значительного количества токсичных компонентов в отработанных газах.

Дальнейшее увеличение мощности известных двигателей за счет увеличения степени сжатия не представляется возможным из-за большой величины трения поршней о стенки цилиндров, обусловленной значительной нескомпенсированной боковой (реактивной) силой, действующей на поршень и прижимающей его к стенке цилиндра при сжатии и рабочем ходе и достигающей такой величины, когда на ее преодоление затрачивается значительная часть мощности, развиваемой двигателем, что снижает КПД двигателя. Кроме того, боковое давление поршня на стенку цилиндра имеет такую величину, когда между поршнем и цилиндром выжимается смазка и происходит ускоренный износ поршня и цилиндра. По этой причине в двигателях последних конструкций степень сжатия не превышает 19 и несерийные конструкции имеют максимальную степень сжатия 21. Для таких двигателей нужны специальные дорогие смазочные масла.

Наиболее близкими аналогами предлагаемого двигателя, позволяющими в процессе работы менять степень сжатия (или, что то же, изменять объем камеры сгорания) являются три варианта двигателей внутреннего сгорания, испытываемых в настоящий момент (журнал "Техника-Молодежи" N9, 1989 г. стр. 41): 1). Двигатели с поворотными эксцентриками на шейках коленвалов.

2). Двигатели с поршнями изменяемой высоты, регулируемые гидравликой, разработанные фирмой "Даймлер-Бенц".

3). Двигатели фирмы "Фольксваген" с вмонтированными в головку небольшими поршнями, которые могут более или менее глубоко входить в камеру сгорания, изменяя ее объем и тем самым степень сжатия.

Основными недостатками всех трех конструкций являются следующие: 1. Все конструкции очень сложные. Очень сложная система управления эксцентриками на вращающемся коленвалу. Гидравлическое изменение высоты поршней требует сложную гидравлическую систему, управляемую компьютером.

2. Все конструкции рассчитаны на топливовоздушную смесь, т.е. карбюраторные.

3. Конструкции совершенно не реальны для двигателей с впрыском топлива, для работы на степенях сжатия выше 20.

4. Конструкции искусственно рассчитаны при увеличении степени сжатия на снижение модности в пользу экологии: или модность, или экология.

С целью устранения указанных недостатков прототипа и аналогов предлагается двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива, форсированный степенью сжатия свыше 20.

Для устранения недостатков прототипа и аналогов предлагается двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива, имеющий два коленчатых вала, связанных между собой двумя шестернями и по два шатуна на каждый поршень, связывающих каждый поршень с обоими коленвалами, что исключает боковое давление поршня на стенку цилиндра и обеспечивает работу двигателя на более высоких степенях сжатия. Расположение оси цилиндра под углом "дельта" к каждому из коленвалов увеличивает длину хода поршня и увеличивает крутящий момент двигателя. Наличие двух коленвалов позволяет поровну распределить (разделить) нагрузки от поршня и выполнить двигатель из значительно облегченных деталей.

С целью улучшения экономических и экологических показателей двигателя, каждый цилиндр двигателя снабжен дополнительным сбросным клапаном, позволяющим в широких пределах регулировать степень сжатия при работе двигателя и вместе с регулированием подачи топлива топливным насосом получать оптимальные по составу и количеству смеси топлива и воздуха в зависимости от дорожных условий и скорости движения транспортного средства.

Двигатель может быть одноцилиндровым и многоцилиндровым в зависимости от назначения.

В связи со значительной степенью сжатия (свыше 20), двигатель с впрыском топлива, несмотря на наличие двух коленвалов, может иметь при той же мощности, что и прототип, значительно меньшие размеры и вес. Применение турбонаддува (без наддува очень трудно получить степень сжатия, скажем 30 и выше) позволит значительно повысить экономичность и экологию двигателя, а также использовать маленький экономичный двигатель со сверхвысокой степенью сжатия в качестве газогенератора для многоступенчатой газовой турбины. Благодаря наддуву и сверхвысоким степеням сжатия, предлагаемый двигатель (мотор) с впрыском топлива позволяет применять поршни с вихреобразовательными каналами, благодаря которым в цилиндре над движущимся поршнем в начале вспышки образуется воздушных вихрь, ось которого может совпадать с осью цилиндра или быть направлена перпендикулярно оси цилиндра. Вихри в цилиндре обеспечат стопроцентное сгорание топлива и сделают двигатель экологически чистым и экономичным. Запуск двигателя будет производиться на пониженных степенях сжатия, что не будет требовать удорожания пусковых устройств.

Благодаря разделению нагрузки на поршни поровну между двумя коленвалами, поршни полностью освобождаются от каких-либо боковых сил, становятся свободноплавающими и двигатель полностью освобождается от трения поршней о стенки цилиндров, а разделение нагрузок между коленвалами снижает коэффициент трения в шатунных подшипниках и шейках коленвалов. В целом значительно повышается коэффициент полезного действия (КПД) двигателя.

удешевляется его эксплуатация в связи со значительной экономичностью на высоких степенях сжатия и отказе от дорогих специальных смазочных масел.

Значительно, более чем вдвое, увеличивается ресурс двигателя по сравнению с любыми прототипами.

И хотя данная конструкция двигателя предлагается как четырехтактный двигатель с впрыском топлива, она также благоприятная и для двухтактного двигателя с впрыском топлива. Учитывая, что время сжатия и выхлопа (выпуска) больше времени всасывания и рабочего хода и поршень от нижней мертвой точки (НМТ) идет к верхней мертвой точке (ВМТ) медленнее, чем наоборот, очень благоприятно в такой конструкции двухтактного двигателя внутреннего сгорания осуществлять клапанную продувку цилиндров от турбонаддува, а регулирование степени сжатия будет осуществляться сбросным клапаном при сжатии аналогично регулированию в четырехтактном двигателе.

На фиг. 1 общий вид двигателя (поперечный разрез); на фиг.2 - кинематическая схема шестицилиндрового двигателя; на фиг.3 устройство дифференциального регулятора распределительного вала сбросных клапанов; на фиг.4 различные конструкции сочленений поршней с шатунами; на фиг.5 - распределение нагрузок при различных углах поворота коленвалов при рабочем ходе поршня для прототипа и предлагаемого двигателя; на фиг.6 диаграмма газораспределения (работы двигателя по вращению левого коленвала); на фиг.7 - схемы регулирования двигателя; на фиг.8 расположение вихреобразующих каналов на поршне.

Двигатель состоит из однорядного блока 1 цилиндров 7 с поршнями 2 (фиг. 1,2). В картере двигателя симметрично друг другу расположены два коленвала 5, уравновешенные противовесами 8 и связанные между собой зубчатыми шестернями 6. Каждый поршень 2 связан двумя шатунами 4 с коленвалами 5. Камера сжатия 19 имеет постоянный объем. Для регулирования степени сжатия от сверхвысокой (более 20 при максимальной мощности) до более низкой (13 15 при холостом ходе) служит сбросной клапан 12, управляемый распределительным валом (распредвалом) 15 через промежуточное звено (коромысло) 18. От одного из коленвалом, в данном случае левого (фиг.1) от ведущей шестерни 23 цепью 17 приводится во вращение ведомая шестерня 16 дифференциального регулятора распредвала сбросных клапанов (фиг. 3). Шестерня 16, одновременно являясь ведущей шестерней дифференциального регулятора распредвала сбросных клапанов, сцеплена с шестерней 20, которая в свою очередь сцеплена с такой же шестерней 21, а последняя сцеплена с ведомой шестерней 22 дифференциального регулятора. Шестерня 22 жестко (на шлицах) сидит на распредвале 15. Сцепленные шестерни 20 и 21 расположены на сектора 25, который можно перемещать на определенный угол на оси "0-01".

Если тягу "MN" сектора 25 с шестернями 20 и 21 перемещать по стрелке "а", шестерня 22 начнет обгонять шестерню 16 и кулачок "К" займет положение "КI". Если сектор 25 перемещать по стрелке "в", шестерня 22 и распредвал 15 начнут отставать от шестерни 16 и кулачок "К" займет положение "К2". Таким образом, изменяя положение сектора 25 можно регулировать закрытие сбросного клапана 12 от положения, одновременного с закрытием впускного (всасывающего) клапана 11 цилиндра двигателя или значительно позже (см. диаграмму газораспределения на фиг.6) и выпускать (сбрасывать) через воздухопровод 13 во всасывающий коллектор 14 часть сжимаемого воздуха, изменяя степень сжатия.

Благодаря наличию двух коленвалов 5 реактивный момент автоматически выносится из цилиндров двигателя на шестерни 6 сцепления коленвалов и его направление будет зависеть от какого коленвала отбирается мощность двигателя.

Поршни 2 не давят на стенки цилиндров. Они свободно плавают в цилиндрах и для придачи поршням большей свободы (чтобы на двигателе не отражались отдельные неточности изготовленных деталей) между поршнем и шатунами могут быть введены дополнительные звенья 24 (фиг.2, фиг.4а, 4б). В конструкциях с двумя коленвалами могут применяться поршни с двумя пальцами для крепления шатунов 4 (фиг.4в). Такие поршни в нижней части имеют двойные выступы 26, в которые вставляются пальцы шатунов 4. Для уменьшения веса поршни 2 имеют пустоты 27 и могут быть защищены от ударной нагрузки пластинами 28 из жаростойкой стали.

Как показали расчеты крутящих моментов прототипа и предлагаемого двигателя у предлагаемого двигателя крутящий момент выше. Давления на поршень взяты для прототипа по углу поворота коленвала из опытов М.М.Чурсина, МВТУ, для двигателя ГАЗ-51, степень сжатия 6,2, частота вращения 1610 об/мин. (Н. В. Иноземцев. Курс тепловых двигателей. Издание 3-е. Государственное издательство оборонной промышленности. Москва, 1954 г. Стр.97) и перенесены по ходу поршня в цилиндр предлагаемого двигателя с коррекцией по углу поворота коленвалов. Расчеты проводились в соответствии с фиг.5а и 5б. Данные расчетов приведены в условных (относительных) единицах и сведены в таблицу.

Если учесть, что у быстроходных двигателей выпускные клапана открываются со значительным опережением, преимущества предлагаемого двигателя очевидны: у предлагаемого двигателя значительно выше и сравнительно просто в широких пределах регулируется степень сжатия; при прочих равных параметрах у предлагаемого двигателя значительно выше суммарный крутящий момент.

Работа двигателя.

Запуск двигателя может осуществляться стартером от аккумуляторной батареи (легковой автомобиль) или пусковым двигателем (на тракторе или тепловозе) при сниженной степени сжатия. Для этого устройством управления двигателем ограничивается форсаж двигателя степенью сжатия. То есть, дифференциальный регулятор распредвала сбросных клапанов переводится на отставание закрытия сбросных клапанов и ограничивается подача топлива топливным насосом. Топливный насос подачи топлива к форсункам и дифрегулятор распредвала сбросных клапанов могут быть связаны между собой тягой и на каждом двигателе настраиваются индивидуально.

Управлять двигателем можно или одновременно воздействуя на топливный насос и дифференциальный регулятор распредвала сбросных клапанов (фиг.7а), или порознь, то есть отдельно на подачу топлива (топливный насос) и отдельно на дифрегулятор распредвала сбросных клапанов (фиг.7б), или с использованием бортового компьютера.

При работе двигателя правый коленвал (фиг.1) вращается по часовой стрелке, левый против. В принципе вращение коленвалов может быть и противоположным показанному на фигурах. Но показанное на фигурах направление вращения коленвалов позволяет получить максимальный крутящий момент, значительно выше, чем у прототипов и аналогов с тем же объемом цилиндра и иметь меньшие затраты энергии на цикл сжатия.

Поршень 2 идет вниз от верхней мертвой точки. Открывается впускной (всасывающий) клапан 11 и воздух из всасывающего коллектора 14 поступает в цилиндр 7. Допустим, что двигатель имеет наддув и степень сжатия 34. Вначале запуска наддув не работает и двигатель имеет максимальную степень сжатия 19. Всасывающий (впускной) клапан 11 закрывается после нижней мертвой точки. Поршень 2 идет вверх и воздух в цилиндре начинает сжиматься. В конце цикла всасывания открывается сбросный клапан 12 и, в зависимости от положения дифрегулятора распредвала сбросных клапанов, допустим угол "α₂" остается открытым (фиг.6). Часть сжимаемого воздуха через сбросной клапан 12 и сбросной воздуховод 13 сбрасывается из цилиндра во всасывающий коллектор 14. Сброс воздуха из цилиндра можно осуществлять, в зависимости от конструкции двигателя, или в выпускной коллектор 3, или в атмосферу. Сброс воздуха из цилиндра работает на понижение степени сжатия. При запуске двигателя степень сжатия можно понижать до 13,0 17,0 чем уменьшают затраты энергии на запуск.

Перед завершением цикла сжатия форсунка 9 производит впрыск топлива в камеру сжатия 19. Топливо, соприкасаясь с нагретым от сжатия воздухом, воспламеняется. Газы давят на поршень 2. От верхней мертвой точки начинается рабочий ход поршня 2. Через шатуны 4 поступательное движение поршня 2 преобразуется во вращательное движение коленвалов 5. Нагрузка от поршня 2 через шатуны 4 поровну делится и передается на каждый коленвал 5.

Когда коленвалы подходят к положению близкому к нижней мертвой точке, с упреждением открывается выпускной клапан 10 и газы из цилиндра, благодаря остаточному давлению, а затем и поршнем 2 при такте выпуска (выхлопа) вытесняются в выпускной коллектор 3 и далее турбину турбонаддува уходят в атмосферу. У двигателей, форсированных высокими степенями сжатия, турбина может иметь несколько ступеней (многоступенчатая) и быть связана передачей с одним из коленвалов 5 для передачи избыточной нагрузки на коленвал двигателя.

После верхней мертвой точки цикл выпуска (выхлопа) завершается и начинается новый цикл всасывания. Двигатель запускается. Начинает работать турбонаддув. Давление воздуха во всасывающем коллекторе 14 повышается, увеличивается количество воздуха, засасываемого в цилиндр. Цилиндр наполняется воздухом для получения степени сжатия, равной расчетной, которая может регулироваться для различных режимов работы двигателя дифференциальным регулятором распредвала сбросных клапанов. На максимальных оборотах впрыск топлива производится с опережением на угол "β" в зависимости от степени сжатия. При максимальной мощности дифференциальный регулятор сбросных клапанов закрывает сбросные клапаны 12 одновременно с закрытием впускных клапанов 11 (угол "α" фиг. 6) и степень сжатия у двигателя будет максимальной, равной расчетной. При этом скорость сгорания будет очень высокой и опережение впрыска топлива будет минимальным. На холостом ходу сбросные клапаны 12 будут закрываться после поворота коленвалов на угол "α₁" после нижней мертвой точки. Степень сжатия будет ниже 17 но достаточная для вспышки топлива и угол опережения впрыска "β" будет максимальным. На средних нагрузках дифференциальный регулятор будет закрывать сбросный клапан в одном из промежуточных положений (между максимальной нагрузкой и холостым ходом), допустим, в положении "α₂" то есть когда коленвалы развернутся от нижней мертвой точки на угол "ϕ" Степень сжатия будет промежуточной между максимальной и минимальной, но обеспечивающей максимальную экономичность и экологическую чистоту двигателя.

Для определения угла опережения впрыска топлива "β" от холостого хода до максимальной нагрузки двигателя, работа топливного насоса согласуется с работой дифференциального регулятора сбросных клапанов, то есть топливный насос приводится в работу от ведомой шестерни 22 дифференциального регулятора сбросных клапанов (фиг.3).

Будучи форсированным высокой степенью сжатия, двигатель будет высокооборотным и иметь очень высокую удельную мощность.

Если камеру сжатия 19 выполнить в поршне, то поршни 2 можно выполнять с вихреобразовательными каналами 29 (фиг.8). После воспламенения топлива давление в камере сжатия 19 нарастает быстрее, чем в целом в цилиндре и воздух из камеры сжатия 19 будет устремляться по каналам 29, образуя вихри и увлекая в эти вихри частички несгоревшего топлива. Как показано на фиг.8а, каналы могут быть радиально-изогнутые, для получения вихря в цилиндре, ось которого будет совпадать с осью цилиндра. Могут быть радиальными, для получения вихрей с осью, перпендикулярной оси цилиндра (фиг.8б) и со смешанными каналами, то есть с чередующимися радиальными и радиально-изогнутыми каналами (фиг.8в).

После вспышки топлива направление воздушных потоков из камеры сжатия 19 будет таким, как показано стрелками на фиг.8а, б, в. Число каналов может быть от одного до десяти и более. Каналы могут иметь и другие формы и направления и пересекать углубления для клапанов. Но во всех случаях они будут создавать в цилиндре интенсивные вихри при рабочем ходе поршня независимо от того, под каким углом поток воздуха войдет в цилиндр при наполнении (всасывании). И эти вихри будут обеспечивать стопроцентное сгорание топлива в цилиндре двигателя, форсированного высокой степенью сжатия.

Формула изобретения

1. Двигатель внутреннего сгорания с впрыском топлива, работающий в форсированном режиме с большой степенью сжатия, состоящий из однорядного блока цилиндров на каждые два параллельно установленные в картере коленчатых вала, синхронизированных шестернями с одинаковым числом зубьев и двумя шатунами на каждый поршень с компенсирующим шарнирным звеном между шатунами и поршнем, отличающийся тем, что в каждом цилиндре установлен сбросной клапан сжимаемого воздуха, регулирующий степень сжатия в цилиндре путем дозированного сброса сжимаемого в цилиндре воздуха в выпускной коллектор, причем устройство управления двигателем регулирует степень сжатия сбросным клапаном и подачу топлива топливным насосом так, чтобы получить оптимальный режим горения при любых режимах работы двигателя.

2. Двигатель по п.1, отличающийся тем, что поршни имеют вихреобразующие радиально изогнутые левосторонние или правосторонние каналы, или радиальные каналы, или чередующиеся те и другие, расходящиеся из камеры сжатия, расположенной в центре днища поршня к его периферии, и благодаря которым в цилиндре после вспышки топлива образуются воздушные вихри, способствующие интенсивному перемешиванию топливовоздушной смеси, чем обеспечивается полное сгорание топлива.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8