Способ управления мощностью свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания и свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания по шобанову

Изобретение относится к свободнопоршневым двигателям внутреннего сгорания и может быть использовано в автомобилестроении, судостроении, машиностроении и других областях. Способ управления мощностью свободнопоршневого двигателя осуществляют путем изменения соотношения ходов поршня при сжатии и расширении путем изменения момента закрытия впускного клапана с соответствующим изменением объема камеры сгорания, а в режимах неполной мощности осуществляют подтормаживание поршня во время фазы сгорания путем изменения передаточного отношения системы отбора мощности. Для осуществления способа предлагается свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя цилиндр, находящийся в нем поршень, связанный с системой отбора мощности, и впускной клапан, управляемый от системы управления, особенностью является то, что система управления соединена с впускным клапаном и имеет возможность изменять момент закрытия впускного клапана в зависимости от требуемой мощности двигателя. Изобретение обеспечивает повышение КПД, уменьшение шума и снижение тепловой нагрузки на рабочие части двигателя. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Группа изобретений входит в сферу применения поршневых двигателей внутреннего сгорания и может быть использована в автомобилестроении, судостроении, машиностроении и других областях.

Известен способ управления мощностью двигателя внутреннего сгорания, предполагающий использование, в частности, принцип работы свободнопоршневых генераторов газов, описание которых даны в монографии кандидата технических наук П.А.Шелеста "Безвальные генераторы газов" Машгиз, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1960.

Недостатками прототипа является то, что управление мощностью двигателя происходит лишь за счет дозирования масс топлива и воздуха, подаваемых в камеру сгорания, при постоянном соотношении ходов сжатия и расширения. Отсутствует возможность оптимального подбора рабочего объема двигателя в зависимости от требуемой мощности двигателя. При режимах неполной мощности, в которых двигатель автомобиля работает большую часть своего ресурса, снижается КПД двигателя, увеличиваются вредные выбросы в атмосферу. Двигатель с таким способом управления практически во всех режимах обладает высокой температурой выхлопных газов и значительным уровнем шума. При рабочем ходе поршня и, следовательно, увеличении объема продолжается горение топлива, что менее эффективно, чем сгорание при постоянном объеме.

Устройство, принятое за прототип, выбрано из монографии кандидата технических наук П.А.Шелеста "Безвальные генераторы газов" Машгиз, Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, М., 1960.

Недостатком прототипа является то, что невозможно осуществлять регулировку объема камеры сгорания для управления мощностью двигателя.

В основу настоящего изобретения была заложена задача разработки способа и устройства для управления мощностью ДВС с целью обеспечения высокой экологичности двигателя за счет уменьшения выбросов токсичных веществ в атмосферу вместе с отработавшими газами, что достигается улучшением процессов сгорания топлива и максимально возможного расширения продуктов сгорания в цилиндре двигателя, обеспечивая высокий КПД. При работе двигателя в режимах неполной мощности происходит повышение КПД, уменьшение шума и снижение тепловой нагрузки на рабочие части двигателя за счет более полного использования энергии расширяющихся газов вплоть до режима, когда температура выхлопных газов приближается к температуре окружающей среды. Для дальнейшего улучшения характеристик двигателя в режимах неполной мощности в момент начальной фазы сгорания топлива происходит подтормаживание поршня системой управления на время, необходимое для более полного сгорания топлива в начальном объеме.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способу достигается тем, что предлагается способ управления мощностью двигателя, особенность которого заключается в том, что оперативное управление осуществляют путем изменения соотношения ходов поршня при сжатии и расширении с соответствующим изменением объема камеры сгорания, причем величину хода поршня при сжатии изменяют за счет момента закрытия впускного клапана, изменения количества и вида топлива, а в режимах неполной мощности используют подтормаживание поршня во время фазы сгорания изменением передаточного отношения системы отбора мощности поршня.

Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройству достигается тем, что в двигателе внутреннего сгорания, включающем в себя цилиндр, находящийся в нем поршень, связанный с системой отбора мощности гидравлическим, пневматическим, электрическим, механическим или другим способом, и впускной клапан, управляемый от системы управления, особенностью является то, что впускной клапан закрывается при различном положении поршня во время хода сжатия, а положение поршня может определяться по сигналу датчика или таймера, причем цилиндр имеет выпускные окна.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - двигатель внутреннего сгорания - предназначен для осуществления другого заявленного объекта группы - способа управления мощностью двигателя внутреннего сгорания, при этом все объекты группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемых изобретений, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретений критерию "новизна".

По мнению авторов, сущность заявленных изобретений не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупность признаков, которые отличают от прототипов заявляемые изобретения, что позволяет сделать вывод об их соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретений, в принципе, может быть использована в двигателе внутреннего сгорания с получением технического результата, заключающегося в изменении соотношения ходов поршня при сжатии и расширении с соответствующим изменением объема камеры сгорания, причем величина хода поршня при сжатии изменяется за счет момента закрытия впускного клапана, изменения количества и вида топлива, а также за счет подтормаживания поршня при сгорании газов, а положение поршня может определяться по сигналу датчика или таймера, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретений критерию "промышленная применимость".

Конструктивно такой двигатель может оформляться как единичный модуль, в состав которого входят все необходимые для обеспечения его работоспособности устройства, или в виде комплекса нескольких однотипных модулей, объединенных общей системой управления.

Изменение начального (исходного) положения поршня в цилиндре двигателя перед тактом сжатия позволяет сделать работу двигателя более экономичной, то есть сократить расход топлива, используя полную мощность двигателя лишь при необходимости.

Система управления параметрами рабочего цикла дает возможность обеспечить наиболее полное сгорание топлива и максимально возможное использование энергии рабочего тела.

Предлагаемый способ управления мощностью двигателя позволяет сделать его многотопливным, так как становится возможным быстрое изменение степени сжатия.

Система управления параметрами рабочих циклов позволяет оперативно изменять рабочий объем и длину хода поршня при сжатии. Полный рабочий ход поршня при расширении позволяет максимально использовать энергию горячего рабочего тела, снижая его давление и температуру до значений, близких к внешней среде, существенно увеличивая КПД в режимах неполной мощности.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен способ управления мощностью свободнопоршневого двигателя; на фиг.2 - схема, поясняющая работу устройства для реализации способа управления мощностью.

Описанный способ управления мощностью свободнопоршневого двигателя поясняется схемой работы двигателя, изображенной на фиг.1.

Ход поршня при сжатии и съем энергии при рабочем ходе поршня, а также управление впускным клапаном может осуществляться пневматическим, гидравлическим, электрическим, механическим и другими способами, что на фиг.1 не показано.

Перед началом работы двигателя поршень 1 (фиг.1) находится в нижнем по схеме положении. Как правило, поршень 1 остается в этом положении после окончания предыдущего цикла или устанавливается в него по команде системы управления (не показана). Впускной клапан 2 открывается и происходит заполнение цилиндра 3 порцией воздуха и/или происходит продувка цилиндра 3 через каналы 4 (фиг.1а).

Далее поршень начинает свое движение вверх, закрывая каналы 4. При максимальной мощности двигателя впускной клапан 2 закроется практически сразу (фиг.1б), чтобы количество воздуха и, соответственно, топлива в камере сгорания были максимальны.

Если нет потребности в полной мощности двигателя, то системой управления принимается решение об уменьшении рабочего объема путем изменения точки начала сжатия. Поршень 1 в такой ситуации продолжает двигаться вверх еще некоторое время, не сжимая воздух, так как впускной клапан 2 не закрыт (фиг.1в).

В момент, определенный системой управления, в зависимости от требуемой мощности впускной клапан 2 закрывается с помощью исполнительного устройства пневматического, гидравлического, электрического, механического или другого типа (не показано) и начинается сжатие (фиг.1г).

В дизельном двигателе в момент, близкий к максимальному сжатию воздуха (положение поршня показано пунктирной линией), форсунка 5 подает топливо в камеру сгорания. В бензиновом двигателе воспламенение происходит от искры (не показано). Топливо воспламеняется, повышается давление, и продукты сгорания, расширяясь, меняют направление движения поршня - начинается рабочий ход поршня - получение энергии. В конце хода открывается выпускное окно 4 и отработавшие газы удаляются из цилиндра 3 двигателя. Открывается впускной клапан 2, происходит продувка. Системой управления при помощи пневматического, гидравлического, электрического, механического или другого способа поршень 1 останавливается в исходном, нижнем, положении (фиг.1), и цикл повторяется.

В частном случае за счет задержки поршня 1 системой управления в верхнем положении (показано пунктиром) можно получить камеру сгорания с постоянным объемом на время, необходимое для наиболее полного сгорания топливной смеси.

Из описания принципа действия двигателя следует, что процесс управления мощностью двигателя позволяет иметь не только двигатель изменяющегося рабочего объема с возможностью настройки на любое топливо, но и с максимально возможным ходом расширения.

Предлагаемое нами устройство для реализации способа управления мощностью ДВС рассмотрим на примере свободнопоршневого ДВС, который представлен на фиг.2. Двигатель внутреннего сгорания включает в себя цилиндр двигателя 1, находящийся в нем поршень 2, присоединенный к двигателю гидроцилиндр 3, поршень гидроцилиндра 4, впускной клапан 5, форсунку 6, датчик положения поршня 7, систему управления 8, резервуар с рабочей жидкостью 9, гидравлическую систему 10, гидроаккумулятор 11, гидромотор 12, выпускные окна 13 или клапаны (вариант).

Двигатель работает следующим образом.

Для того чтобы поршень 2 совершил такт сжатия, в нижнюю полость гидроцилиндра 3 системой управления 8 из резервуара 9 через гидравлическую систему 10 под давлением подается рабочая жидкость. Для повышения КПД в гидросистеме 10 установлен преобразователь давления (не показан). Положение поршня 2 в цилиндре 1 определяется при помощи датчика 7. Можно вместо датчика использовать таймер, который встраивается в систему управления (не показан). В момент, определенный системой управления 8, в зависимости от требуемой мощности двигателя закрывается впускной клапан 5.

В камере сгорания цилиндра 1 двигателя происходит сжатие рабочей смеси. В момент, близкий к максимальному сжатию, форсункой 6 подается топливо. Топливо воспламеняется и продукты сгорания, расширяясь, меняют направление движения поршня 2. При этом рабочая жидкость под давлением из нижней полости гидроцилиндра 3 переходит через гидравлическую систему 10 в гидроаккумулятор 11. Скорость выхода рабочей жидкости (коэффициент преобразования давления) из гидроцилиндра 3 может изменяться системой управления 8 на основе данных о массе топлива и воздуха, находящихся в камере сгорания цилиндра 1 двигателя, давления в гидроаккумуляторе 11 и скорости вращения вала гидромотора 12. В конце хода расширения поршень открывает выпускные окна, и происходит очистка цилиндра (выхлоп). Следующий цикл может начаться сразу после очистки цилиндра или по завершении паузы, определяемой системой управления, при неполной мощности ДВС.

Таким образом, можно управлять движением поршня по выбранному нами закону, обеспечивая необходимые условия для полного сгорания топлива при заданном времени рабочего цикла.

Предлагаемая группа изобретений позволяет обеспечить высокую экологичность двигателя за счет уменьшения выбросов токсичных веществ в атмосферу вместе с отработавшими газами, что достигается улучшением процессов сгорания топлива и максимально возможного расширения продуктов сгорания в цилиндре двигателя, обеспечивая высокий КПД. Это позволяет сделать его многотопливным, вплоть до оперативной замены топлива при различной выдаваемой мощности, так как становится возможным быстрое изменение степени сжатия.

При работе двигателя в режиме неполной мощности происходит повышение КПД, уменьшение шума и снижение тепловой нагрузки на рабочие части двигателя за счет более полного использования энергии расширяющихся газов вплоть до режима, когда температура выхлопных газов близка к температуре окружающей среды, что делает возможным удешевление его конструкции за счет снижения требований к материалам и конструкции некоторых деталей.

Применение описываемого способа управления рабочими циклами двигателя открывает широкие возможности использования двигателя в различных областях автомобильной промышленности, машиностроения, судостроения и других областях.

1. Способ управления мощностью свободнопоршневого двигателя внутреннего сгорания, отличающийся тем, что оперативное управление мощностью двигателя осуществляют изменением соотношения ходов поршня при сжатии и расширении путем изменения момента закрытия впускного клапана с соответствующим изменением объема камеры сгорания.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при неполной мощности двигателя осуществляют подтормаживание поршня во время начальной фазы сгорания.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что подтормаживание поршня во время начальной фазы сгорания осуществляют изменением передаточного отношения системы отбора мощности поршня.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от требуемой мощности двигателя и/или режима работы используют различное топливо и/или изменяют количество топлива.

5. Свободнопоршневой двигатель внутреннего сгорания, включающий в себя цилиндр, находящийся в нем поршень, соединенный с системой отбора мощности, впускной клапан и систему управления, отличающийся тем, что система управления соединена с впускным клапаном и имеет возможность изменять момент закрытия впускного клапана в зависимости от требуемой мощности двигателя.

6. Свободнопоршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что цилиндр имеет выпускные окна.

7. Свободнопоршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что установлен датчик положения поршня, соединенный с системой управления.

8. Свободнопоршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что установлен таймер для определения положения поршня, соединенный с системой управления.

9. Свободнопоршневой двигатель по п.5, отличающийся тем, что система отбора мощности выбрана из ряда: гидравлическая, пневматическая, электрическая, механическая.