Детонационный двигатель внутреннего сгорания с плавающим поршнем и способ его управления
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к двигателям внутреннего сгорания. Технический результат заключается в повышении эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, а также в снижении нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма. Согласно изобретению в цилиндре двигателя размещены два поршня одного диаметра, один из которых посредством шатуна связан с коленвалом, а другой выполнен кинематически независимым. Между поршнями образована полость, заполненная маслом, объем которого контролируется посредством клапанов и регулятора давления, обеспечивая тем самым возможность регулирования степени сжатия в двигателе. Управление двигателем осуществляется при помощи электронных средств, определяющих величину степени сжатия, при которой обеспечивается детонационное воспламенение топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя. При этом для определения необходимой степени сжатия ее устанавливают ниже расчетной величины самовоспламенения, воспламеняя топливно-воздушную смесь от свечи искрообразования в начале рабочего хода, после прохождения поршнями верхней мертвой точки. Степень сжатия на работающем двигателе с каждым тактом увеличивают до момента детонационного самовоспламенения смеси в верхней мертвой точке, после чего обеспечивают отключение работы свечи искрообразования. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к двигателестроению, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания.
Сущность изобретения: двигатель содержит цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями одного диаметра. Основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый. Между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра установлены датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия. Определение степени сжатия осуществляется с поступлением в цилиндр топливно-воздушной смеси, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, происходит ее воспламенение от свечи искрообразования. При увеличении степени сжатия на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит воспламенение топливно-воздушной смеси от сжатия в верхней мертвой точке. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия.
Аналогом предлагаемого изобретения могут служить известные конструкции, изменяющие объем камеры внутреннего сгорания с использованием масла, которое поступает в подвижные элементы поршня. Недостатком таких конструкций является сложность размещения подводящих и отводящих масленых каналов. За прототип данного изобретения взят двигатель внутреннего сгорания с переменной степенью сжатия (патент SU №1508002 А1, F02B 75 /04), содержащий поршень, образованный корпусом и головкой в виде подвижного стакана, связанными между собой с образованием камеры переменного объема, и систему маслоподачи, представляющую собой последовательно соединенные каналы, выполненные в коленчатом валу, шатуне и подшипниках его верхней и нижней головок, а подшипник нижней головки шатуна содержит уплотнение.
К недостаткам данного технического решения следует отнести сложность конструкции, снижение прочности в кривошипно-шатунном механизме, большую длину масленых каналов, ненадежность уплотнения, ограниченную циркуляцию охлажденного масла.
За прототип данного изобретения управления процессом самовоспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия (патент RU №2095597 С1, 6 F02B 75/26,75/04, F02P 15/04) взят регулятор степени сжатия, который выполнен в виде перепускных каналов, сообщенных с цилиндрами, перепускных золотников, установленных с возможностью перекрытия перепускных каналов и штоков, связанных через резьбовые соединения с перепускными золотниками, а через шлицевые соединения - с шестернями корректировки степени сжатия, причем последние входят в зацепление с коронной шестерней, приводимой в действие червячным винтом.
Основной недостаток данного регулятора степени сжатия в том, что при работающем двигателе, чтобы изменить его мощность, необходимо увеличить обороты за счет обогащения качественного состава смеси и синхронно уменьшить степень сжатия. Механическим путем корректировку степени сжатия червячным винтом выполнить невозможно.
Изобретение направлено на повышение эффективности управления процессом воспламенения топливно-воздушной смеси от сжатия, снижение нагрузок на детали кривошипно-шатунного механизма и устранение вышеперечисленных недостатков.
Решение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый двигатель внутреннего сгорания с четырехтактным рабочим циклом имеет: /чертеж/ головку цилиндра-1, цилиндр-2, где располагается основной поршень-3, связанный с шатуном-4, и плавающий поршень-5. На такте впуска, около нижней мертвой точки, при открытии впускного клапана- 6, через подводящий канал-7 и масленый регулятор давления/место установки/-8, между поршнями нагнетается масло. При движении поршней вверх, масло, находящееся в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, который изменяет объем камеры внутреннего сгорания. На такте выпуска около нижней мертвой точки при открытии выпускного клапана-9, через отводящий канал-10, часть масла возвращается с систему. На следующем такте работы двигателя поступившее масло охлаждает поршни и стенку цилиндра. На такте впуска, при движении поршней вниз, между основным и плавающим поршнями образуется разрежение, область пониженного давления Р. Из-за разницы давлений, где P1 - давление над плавающим поршнем, P1-Р=F, возникает движущая сила F, которая перемещает плавающий поршень вниз. На силу F положительно влияет: Р2 - давление от наддува поступающего воздуха и Р3 - давление от поступающего топлива. На силу F отрицательно влияет трение поршневых колец о стенку цилиндра плавающего поршня. Для увеличения площади соприкосновения с маслом, днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы. Процесс управления возгоранием топливно-воздушной смеси /ТВС/ от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема ТВС в цилиндр двигателя, где в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления /место установки/-11 и электромагнитный обратный клапан /место установки/-12. На такте сжатия переменные параметры от датчика давления поступают в электронный блок управления работы двигателя, где обрабатываются и преобразуются в электрический импульс. Длительность этого импульса влияет на время открытия электромагнитного обратного клапана, через который неиспользованная ТВС по трубопроводу возвращается в топливною систему, поддерживая заданную степень сжатия. Двигатель работает следующим образом: для увеличения мощности, необходимо увеличить обороты двигателя. Для этого в цилиндр двигателя подается обогащенная ТВС, за счет увеличения времени открытия топливной форсунки /место установки/-13. Одновременно электронный блок управления работы двигателя, воздействуя на электромагнитный обратный клапан, уменьшает степень сжатия. Управление процессом изменения объема камеры внутреннего сгорания происходит через масленый регулятор давления. Для увеличения объема камеры внутреннего сгорания масленый регулятор давления уменьшает объем подачи масла между поршнями, ТВС поступает в цилиндр в большем объеме, но степень сжатия остается без изменения. Воспламенение ТВС от большой степени сжатия/детонация/ в предлагаемом двигателе, происходит строго в верхней мертвой точке /ВМТ/. Определение степени сжатия воспламенения ТВС любого вида применяемого топлива осуществляется в следующей последовательности: в цилиндр двигателя во время запуска от стартера, поступает ТВС одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины, необходимой для воспламенения данного вида топлива. После прохождения ВМТ, в начале рабочего хода, чтобы неиспользованная ТВС не поступила в систему выпуска отработанных газов, в головке блока цилиндра устанавливается свеча искрообразования /место установки/-14, которая воспламеняет ТВС. При большой степени сжатия скорость распространения пламени сгорания ТВС в цилиндре достигает значительной величины и поэтому на работу двигателя воспламенение ТВС после ВМТ существенно не повлияет. С каждым тактом, на работающем двигателе от свечи искрообразования, происходит увеличение степени сжатия до момента самовоспламенения ТВС в ВМТ. От датчика давления эти переменные сигналы поступают в электронный блок управления работы двигателя, и происходит отключение работы свечи искрообразования. Эти параметры устанавливаются за эталон степени сжатия режима детонации. При работающем двигателе от свечи искрообразования определение степени сжатия и переход в режим детонации осуществляется с изменением момента зажигания после ВМТ в той же последовательности. На процесс детонации различных видов ТВС влияют несколько факторов: температура, качественный состав ТВС, а также температура в камере сгорания. Для корректировки работы двигателя, при любых климатических условиях и на различных видах применяемого топлива, устанавливаются следующие датчики: температуры и давления, поступающего в цилиндр воздуха и топлива, а также температуры цилиндра и головки цилиндра. Управляемый процесс детонацией заключается в том, что от всех датчиков и регуляторов информация поступает в электронный блок управления двигателя, где обрабатывается и длительностью электрического импульса, поступающего на электромагнитный обратный клапан, поддерживается заданная степень сжатия.
Двигатель отличается тем, что между поршнями нет кинематической связи, способной влиять на изменение объема камеры внутреннего сгорания, это происходит с изменением объема поступающего масла между ними.
Двигатель отличается тем, что имеет подводящий и отводящий каналы с впускным и выпускным клапанами, расположенными по разные стороны от продольной оси цилиндра.
Двигатель отличается тем, что днище плавающего поршня и головка основного поршня выполнены в форме сферы.
Двигатель отличается тем, что при циркуляции масла происходит охлаждение поршней и стенок цилиндра.
Двигатель отличается тем, что при данной смазке стенок цилиндра, значительно уменьшается трение поршневых колец, облегчается запуск двигателя при низких температурах и увеличивается ресурс его работы.
Двигатель отличается тем, что уменьшаются ударные нагрузки на кривошипно-шатунный механизм, снижается шум работы двигателя.
Процесс управления воспламенения ТВС от сжатия отличается тем, что в головку блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия.
Определение степени сжатия отличается тем, что воспламенение топливно-воздушной смеси происходит от свечи искрообразования после прохождения верхней мертвой точки, с последующим ее отключением при воспламенении в режиме детонации в верхней мертвой точке.
1. Двигатель, содержащий цилиндр с размещенными в нем последовательно друг за другом двумя поршнями, отличающийся тем, что они одного диаметра, где основной поршень связан с шатуном, а плавающий поршень кинематически независимый, и между поршнями через впускной клапан и регулятор давления нагнетается масло, которое, находясь в замкнутой полости, образованной стенкой цилиндра и поршнями, воздействует своим объемом на плавающий поршень, изменяя объем камеры внутреннего сгорания, а при открытии выпускного клапана происходит циркуляция масла.
2. Процесс управления воспламенением топливно-воздушной смеси от сжатия осуществляется с подачей избыточного объема смеси в цилиндр двигателя, отличающийся тем, что в головке блока цилиндра устанавливаются датчик давления и электромагнитный обратный клапан, которые через электронный блок управления работы двигателя поддерживают заданную степень сжатия, а определение степени сжатия момента детонации осуществляется с поступлением в цилиндр двигателя топливно-воздушной смеси одинакового качественного состава, но степень сжатия устанавливается ниже расчетной величины воспламенения, где после прохождения верхней мертвой точки, в начале рабочего хода, воспламеняется от свечи искрообразования, а с каждым тактом на работающем двигателе увеличивается степень сжатия до момента детонации смеси в верхней мертвой точке и происходит отключение работы свечи искрообразования.
