Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с утилизацией энергии отработавших газов

 

Изобретение относится к двигателестроению. На первом такте в надпоршневое пространство цилиндра при движении поршня вблизи нижней мертвой точки осуществляют впуск свежего заряда, его сжатие, воспламенение и сжигание, причем впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда осуществляют в начале первого такта. На втором такте производят расширение продуктов сгорания, совершается первый рабочий ход. На третьем такте при движении поршня к верхней мертвой точке производят дополнительное сжатие продуктов сгорания и впрыск нейтрализующей жидкости, причем в надпоршневое пространство цилиндра впрыскивают нейтрализующую жидкость в конце третьего такта. На четвертом такте под воздействием роста давления осуществляют парообразование нейтрализующей жидкости, совершается второй рабочий ход с одновременной нейтрализацией отработавших газов и вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара, причем продукты сгорания с частицами пара вытесняют в атмосферу в конце четвертого такта. Изобретение обеспечивает повышение КПД двигателя, нейтрализацию токсичных компонентов продуктов сгорания. 1 ил.

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению, в частности к конструкциям четырехтактных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) с утилизацией энергии отработавших газов, и способaм их работы.

Известен способ работы двухтактного ДВС, включающий на первом такте впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда при движении поршня вблизи нижней мертвой точки, сжатие свежего заряда при движении поршня к верхней мертвой точке и воспламенение, причем в качестве свежего заряда используют воздух и топливо или топливовоздушную смесь, на втором такте при движении поршня к верхней мертвой точке сжигание свежего заряда для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала, расширение продуктов сгорания и вытеснение их из цилиндра в атмосферу (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей/Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1980.- C. 24).

Недостатками описанного способа работы двухтактного ДВС являются низкий эффективный КПД двигателя вследствие потерь остаточной энергии продуктов сгорания, которых вытесняют с высокими скоростями и температурой в атмосферу, а также токсичность отработавших газов, загрязняющих окружающую среду, из-за отсутствия нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ работы шеститактного ДВС, включающий впуск в надпоршневое пространство цилиндра части свежего заряда, в качестве которой используют воздух, на первом такте, его сжатие на втором такте, впрыск части свежего заряда, в качестве которой используют топливо, воспламенение и его сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала, расширение продуктов сгорания на третьем такте, на четвертом такте дополнительное сжатие продуктов сгорания, впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра, предназначенной для преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала и нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания, на пятом такте парообразование нейтрализующей жидкости и нейтрализацию токсичных компонентов продуктов сгорания, на шестом такте вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара. При этом нейтрализующую жидкость впрыскивают в надпоршневое пространство цилиндра в конце четвертого такта (см. патент РФ N 2119073, МПК F 02 B 75/02).

Основным недостатком этого способа работы ДВС является низкий эффективный КПД двигателя вследствие дополнительных механических потерь при расширенном до шести тактов цикле работы ДВС.

Известен шеститактный двигатель внутреннего сгорания, содержащий цилиндропоршневую группу, головку цилиндра, механизм для подачи топлива в цилиндр, форсунку (см. патент РФ N 2119073, МПК F 02 B 75/02).

Основным недостатком описанного шеститактного ДВС является низкий эффективный КПД вследствие того, что 1/3 часть времени, затрачиваемого на цикл работы, т. е. 2 такта, двигатель работает в режиме воздушного насоса, что приводит к значительным механическим потерям.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является двухтактный ДВС, содержащий цилиндропоршневую группу, головку цилиндров, впускную систему с окнами, форсунку, выпускной клапан (см. Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей /Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1980.- C. 24).

Недостатками этого двухтактного ДВС являются низкий эффективный КПД вследствие недоиспользования энергии отработавших газов и отсутствия механизма, обеспечивающего утилизацию остаточной энергии продуктов сгорания, а также токсичность отработавших газов из-за отсутствия механизма нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания, образующихся под воздействием высокой температуры и вследствие неполного сгорания топлива.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе работы четырехтактного ДВС с утилизацией энергии отработавших газов, включающем впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда, его сжатие, воспламенение и сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала, расширение продуктов сгорания, дополнительное сжатие продуктов сгорания, впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра, предназначенной для преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала и нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания, парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализацию токсичных компонентов продуктов сгорания и вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара, впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда, его сжатие, воспламенение и сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала производят на первом такте, причем впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда осуществляют в начале первого такта, расширение продуктов сгорания проводят на втором такте, дополнительное сжатие продуктов сгорания и впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра производят на третьем такте, причем в надпоршневое пространство цилиндра впрыскивают нейтрализующую жидкость в конце третьего такта, парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализацию токсичных компонентов продуктов сгорания и вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара осуществляют на четвертом такте, при этом продукты сгорания с частицами пара вытесняют в атмосферу в конце четвертого такта.

Сущность изобретения заключается также в том, что четырехтактный ДВС с утилизацией энергии отработавших газов, содержащий цилиндропоршневую группу, головку цилиндра, впускную систему с окнами, форсунку и выпускной клапан, причем форсунка и выпускной клапан размещены в головке цилиндра, снабжен механизмом запирания впускной системы для предотвращения выброса из цилиндра расширившихся продуктов сгорания.

Механизм запирания впускной системы для предотвращения выброса из цилиндра расширившихся продуктов сгорания может быть выполнен в виде клапана или золотника.

Техническим результатом является повышение эффективного КПД четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.

Повышение эффективного КПД двигателя обеспечивается путем снижения механических потерь, возникающих при расширенном до шести тактов цикле работы ДВС в способе-прототипе, за счет сокращения этого цикла до четырех тактов при совершении двух рабочих ходов поршня. Таким образом, в предлагаемом изобретении на первом такте кроме впуска свежего заряда производят его сжатие, воспламенение и сжигание, т.е. объединены первый и второй такты способа-прототипа, на втором такте - расширение продуктов сгорания (это третий такт способа-прототипа), на третьем такте - дополнительное сжатие продуктов сгорания и впрыск нейтрализующей жидкости (четвертый такт способа-прототипа), на четвертом такте - парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализация токсичных компонентов продуктов сгорания и вытеснение в атмосферу продуктов сгорания, т. е. объединены пятый и шестой такты способа-прототипа. Рабочий ход осуществляется на втором и четвертом тактах.

Для этого в конструкцию двигателя введен механизм запирания впускной системы, предотвращающий выброс цилиндра расширившихся продуктов сгорания в конце второго такта при движении поршня вблизи нижней мертвой точки, т.е. обеспечивающий герметизацию цилиндра для совершения двух рабочих ходов, что позволяет преобразовать остаточную энергию продуктов сгорания в механическую работу.

Конструкция предлагаемого четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с утилизацией энергии отработавших газов поясняется чертежом, на котором схематично изображен общий вид этого двигателя.

Четырехтактный ДВС с утилизацией энергии отработавших газов содержит цилиндр 1, впускную систему 2 с окнами 3, поршень 4, механизм запирания впускной системы для предотвращения выброса из цилиндра расширившихся продуктов сгорания, выполненный в виде впускного клапана 5 или в виде золотника (не показан), выпускной клапан 6, форсунку 7, головку цилиндра 8. Форсунка 7 и выпускной клапан 6 размещены в головке цилиндра 8.

Способ работы четырехтактного ДВС осуществляют следующим образом. На первом такте в надпоршневое пространство цилиндра 1 при движении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки осуществляют впуск свежего заряда, в качестве частей которого используют воздух и топливо или в качестве которого используют топливовоздушную смесь.

Если в качестве частей свежего заряда используют воздух и топливо, то на первом такте, а именно в начале первого такта, в надпоршневое пространство цилиндра 1 через впускную систему 2 и окна 3 при движении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки осуществляют впуск части свежего заряда, в качестве которой используют воздух. При этом впускной клапан 5 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. В последующем на первом такте при движении поршня 4 от нижней мертвой точки производят сжатие воздуха, а при подходе поршня 4 к верхней мертвой точке в надпоршневое пространство цилиндра 1 через форсунку 7 осуществляют впуск части свежего заряда, в качестве которой используют топливо, воспламенение в конце первого такта, например от сжатия и сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала.

Если в качестве свежего заряда используют топливовоздушную смесь, то на первом такте, а именно в начале первого такта, в надпоршневое пространство цилиндра 1 через впускную систему 2 и окна 3 при движении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки осуществляют впуск этой смеси. При этом впускной клапан 5 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. В последующем на первом такте при движении поршня 4 от нижней мертвой точки производят сжатие топливовоздушной смеси, воспламенение в конце первого такта, например, от свечи зажигания (не показана) и сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала.

Второй, третий и четвертый такты выполняют вне зависимости от состава свежего заряда.

На втором такте под воздействием давления расширившихся продуктов сгорания, перемещающего поршень 4 к нижней мертвой точке, совершается первый рабочий ход. На этом такте клапаны 5 и 6 остаются закрытыми.

На третьем такте при последующем движении поршня 4 к верхней мертвой точке впускной клапан 5 и выпускной клапан 6 остаются закрытыми, производят дополнительное сжатие продуктов сгорания и впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра 1, предназначенной для преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала и нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания. При этом впрыск нейтрализующей жидкости осуществляют через форсунку 7 в конце третьего такта при подходе поршня 4 к верхней мертвой точке.

На четвертом такте вследствие высокой температуры продуктов сгорания производят парообразование нейтрализующей жидкости, и под воздействием роста давления, перемещающего поршень 4 к нижней мертвой точке, совершается второй рабочий ход с одновременной нейтрализацией токсичных компонентов продуктов сгорания. При подходе поршня 4 к нижней мертвой точке открывают выпускной 6 и впускной 5 клапаны, и в конце четвертого такта осуществляют вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара через клапан 6. В надпоршневое пространство цилиндра 1 подают при открытом клапане 5 через впускную систему 2 и окна 3 свежий заряд. Далее цикл работы ДВС повторяется.

Четырехтактный ДВС с утилизацией энергии отработавших газов работает следующим образом. На первом такте в надпоршневое пространство цилиндра 1 при движении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки подается свежий заряд, в качестве частей которого используются воздух и топливо или используется топливовоздушная смесь.

Если в качестве частей свежего заряда используются воздух и топливо, то в начале первого такта в надпоршневое пространство цилиндра 1 через впускную систему 2 и окна 3 при движении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки осуществляется впуск части свежего заряда, в качестве которой используется воздух. При этом впускной клапан 5 открыт, выпускной клапан 6 закрыт. В последующем на первом такте при движении поршня 4 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке производится сжатие воздуха, и при подходе поршня 4 к верхней мертвой точке в надпоршневое пространство цилиндра 1 через форсунку 7 осуществляется впрыск части свежего заряда, в качестве которого используется топливо, затем в конце первого такта производится его воспламенение, например от сжатия, и сжигание.

Если в качестве свежего заряда используется топливовоздушная смесь, то в начале первого такта в надпоршневое пространство цилиндра 1 через впускную систему 2 и окна 3 при движении поршня 4 вблизи нижней мертвой точки осуществляется впуск этой смеси. При этом впускной клапан 5 открыт, а выпускной клапан 6 закрыт. В последующем на первом такте при движении поршня 4 от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке производится сжатие топливовоздушной смеси, воспламенение при подходе поршня к верхней мертвой точке в конце первого такта, например от свечи зажигания (не показана), и сжигание.

На втором такте независимо от вида смесеобразования под воздействием давления расширившихся продуктов сгорания поршень 4 движется к нижней мертвой точке, совершается первый рабочий ход. Клапаны 5 и 6 остаются закрытыми.

На третьем такте при движении поршня 4 к верхней мертвой точке, закрытых впускном 5 и выпускном 6 клапанах производятся дополнительное сжатие продуктов сгорания и при подходе поршня 4 к верхней мертвой точке - впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра 1 через форсунку 7.

На четвертом такте вследствие высокой температуры продуктов сгорания осуществляется парообразование нейтрализующей жидкости, растет давление, воздействующее на поршень 4, совершается второй рабочий ход с одновременной нейтрализацией токсичных компонентов продуктов сгорания. При подходе поршня 4 к нижней мертвой точке открываются выпускной 6 и впускной 5 клапаны. Продукты сгорания с частицами пара выбрасываются через выпускной клапан 6 в атмосферу, свежий заряд поступает в цилиндр 1 через впускную систему 2 и окна 3 при открытом клапане 5.

Таким образом, в конце четвертого и в начале первого тактов впускной клапан 5 открыт, что обеспечивает поступление в цилиндр 1 свежего заряда.

При совершении других тактов впускной клапан 5 остается закрытым, что обеспечивает герметизацию цилиндра 1 и совершение остаточных тактов работы ДВС.

Предлагаемый способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с утилизацией энергии отработавших газов и его конструктивное выполнение позволяют повысить эффективный КПД двигателя при обеспечении нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания и герметизации цилиндра ДВС.

Формула изобретения

Способ работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с утилизацией энергии отработавших газов, включающий впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда, его сжатие, воспламенение и сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала, расширение продуктов сгорания, дополнительное сжатие продуктов сгорания, впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра, предназначенной для преобразования остаточной энергии продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала и нейтрализации токсичных компонентов продуктов сгорания, парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализацию токсичных компонентов продуктов сгорания и вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара, отличающийся тем, что впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда, его сжатие, воспламенение и сжигание для преобразования энергии расширившихся продуктов сгорания во вращательную энергию коленчатого вала производят на первом такте, причем впуск в надпоршневое пространство цилиндра свежего заряда осуществляют в начале первого такта, расширение продуктов сгорания - на втором такте, дополнительное сжатие продуктов сгорания и впрыск нейтрализующей жидкости в надпоршневое пространство цилиндра - на третьем такте, причем в надпоршневое пространство цилиндра впрыскивают нейтрализующую жидкость в конце третьего такта, парообразование нейтрализующей жидкости, нейтрализацию токсичных компонентов продуктов сгорания и вытеснение в атмосферу продуктов сгорания с частицами пара осуществляют на четвертом такте, при этом продукты сгорания с частицами пара вытесняют в атмосферу в конце четвертого такта.

РИСУНКИ

Рисунок 1