Способ создания вращающего момента на рабочем валу поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, поршневой, роторно-поршневой двигатель для осуществления способа

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей, повышение кпд и/или мощности известных ДВС. Сущность изобретения заключается в том, что производят подачу рабочего заряда на такте возможного впуска в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя, уменьшают объем камеры сгорания и/или увеличивают интенсивность наддува. Двигатель для осуществления способа содержит систему подачи рабочего заряда на такте возможного впуска в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя в данном цикле. Содержит также камеру сгорания регулируемого или нерегулируемого объема, объем которой соответствует числовому значению геометрической степени сжатия в цикле не менее 12 на всех режимах работы двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении, доработке и эксплуатации силовых агрегатов машин и механизмов различного назначения на базе поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, например, для автомобильного транспорта.

Известен способ создания вращающего момента на рабочем валу поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, включающий подачу атмосферного воздуха и топлива в камеру сгорания, сжигание топлива, удаление отработанных газов сгоревшего топлива, заключающийся в том, что преобразуют движение рабочего поршня или поршня-ротора под действием давления газов сгоревшего топлива в цикле во вращение рабочего вала.

Известный способ реализован в известных поршневых и роторно-поршневых двигателях внутреннего сгорания (далее ДВС), конструктивно содержащих по меньшей мере одну камеру сгорания, образуемую деталями двигателя или их частями, и по меньшей мере одним кинематически связанным с рабочим валом рабочим поршнем или поршнем-ротором, внешний источник воспламенения топлива или без него, системы подачи атмосферного воздуха, топлива и удаления отработанных газов, например, описанных в книгах: И.М.Ленин, А.В.Костров, О.М.Малашкин и др. Автомобильные и тракторные двигатели, ч.1, издание второе, дополненное и переработанное под редакцией проф. И.М.Ленина, Высшая Школа, 1976 г., стр.1-24, стр.197-205, С.В.Вальян. Техническая термодинамика и тепловые двигатели, изд. второе дополненное и переработанное. Л., Машиностроение, 1973 г., стр.227-254, или описанных в патенте ФРГ DE 3526478, или в патентах России №2146011 С1, №2035599 C1, №2184862, или патентах США №4708096, №5193493, №4363299 (прототипы 1).

Известный способ для ряда известных ДВС предполагает повышение коэффициента полезного действия (далее кпд) или мощности повышением степени сжатия (уменьшением объема камеры сгорания) или увеличением максимального возможного наполнения в цикле (наддувом) до допустимых значений за счет создания необходимых для этого условий, например подачей в цикле охлажденного атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), и (или) охлаждения в цикле газообразного содержимого рабочего объема двигателя принудительным расширением внутри рабочего объема (далее «внутреннее охлаждение») после прерывания подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) «ранним закрытием» впускного клапана на такте возможного впуска в цикле, и (или) ограничением максимального возможного наполнения в цикле (см. патент России №2105893 С1 и международную заявку РСТ/RU 2005/000361, номер международной публикации WO 2006/009491 А1 (прототипы 2)). Для справки: под тактом возможного впуска в цикле подразумевается такт, непосредственно предшествующий в цикле такту сжатия.

Однако, реализация известного способа в ДВС с охлаждением подаваемого в цикле атмосферного воздуха или его смеси с топливом требует наличия специальных технических средств для охлаждения и контроля температуры охлажденного воздуха, что приводит к удорожанию комплекта силового агрегата на базе такого ДВС и увеличению его веса и габаритов.

К недостаткам известного способа и известных ДВС с «внутренним охлаждением» можно отнести то, что «внутреннее охлаждение» в цикле известных ДВС сопряжено с уменьшением и ограничением максимального возможного наполнения для данного рабочего объема ДВС, в том числе недостатком является то, что увеличение эффективности «внутреннего охлаждения» в цикле известных ДВС сопряжено с еще большим уменьшением и ограничением максимального возможного наполнения в цикле, так как практически осуществляется еще более «ранним закрытием» впускного клапана на такте возможного впуска в цикле, например, применительно к известным ДВС с уже конструктивно ограниченным максимальным возможным наполнением в цикле с «ранним закрытием» впускного клапана (см. прототипы 2). Сопряженное с осуществлением «внутреннего охлаждения» на такте возможного впуска в цикле известных ДВС уменьшение и (или) ограничение максимальных количеств атмосферного воздуха и соответственно топлива, которые могли бы быть поданы в цикле для рабочего объема известных ДВС без наддува, уменьшает максимальную возможную мощность таких известных ДВС, а возможное компенсирование означенных уменьшений наполнения наддувом или более высоким наддувом для известных ДВС с наддувом сопряжено с усложнением и удорожанием систем подачи атмосферного воздуха таких известных ДВС. Известные же ДВС, получившие наибольшее распространение, серийно выпускаемые, например, для автомобильного транспорта, реализующие известный способ, не содержащие систем подачи атмосферного воздуха с наддувом, с охлаждением, в том числе ДВС, не содержащие систем подачи атмосферного воздуха уменьшающих и ограничивающих максимальное возможное наполнение для данного рабочего объема в цикле, имеют невысокую степень сжатия, низкий кпд и невысокую максимальную (номинальную) мощность (см. прототипы 1).

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение кпд и (или) мощности известных ДВС при реализации в них предлагаемого способа и создание поршневых и роторно-поршневых ДВС для реализации предлагаемого способа.

Для решения задачи изобретения в известном способе создания вращающего момента на рабочем валу поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, включающем подачу атмосферного воздуха и топлива в камеру сгорания, сжигание топлива, удаление отработанных газов сгоревшего топлива, заключающемся в том, что преобразуют движение рабочего поршня или поршня-ротора под действием давления газов сгоревшего топлива в цикле во вращение рабочего вала, (1) на такте возможного впуска в цикле производят принудительное расширение газообразного содержимого рабочего объема двигателя до начала подачи (до начала впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) или после начала и прерывания подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на данном такте возможного впуска в данном цикле, затем начинают или возобновляют начатую и прерванную в данном цикле подачу атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) и производят подачу атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) до завершения такта возможного впуска в данном цикле или до последующего принудительного прерывания подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на данном такте возможного впуска в данном цикле; (2) многократно чередуют на такте возможного впуска в цикле процесс подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) с процессом принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя; (3) устанавливают требуемую или максимально возможную степень принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в цикле, и (или) требуемое количество чередований и требуемое соотношение продолжительности принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя и продолжительности подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле; (4) увеличивают степень сжатия в цикле (уменьшают объем камеры сгорания) или (и) увеличивают интенсивность наддува, в том числе до предельных допустимых значений так, чтобы температура газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте сжатия в цикле не превышала своего максимального допустимого или расчетного требуемого значения на всех возможных режимах работы двигателя.

А поршневой или роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструктивно содержащий, по меньшей мере, одну камеру сгорания, образуемую деталями двигателя или их частями и, по меньшей мере, одним кинематически связанным с рабочим валом рабочим поршнем или поршнем-ротором, внешний источник воспламенения топлива или без него, системы подачи атмосферного воздуха, топлива и удаления отработанных газов, (1) содержит систему подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), производящую подачу (впуск) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на данном такте возможного впуска в данном цикле; (2) содержит систему подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), многократно чередующую на такте возможного впуска в цикле подачу (впуск) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) с принудительным расширением газообразного содержимого рабочего объема двигателя; (3) содержит по меньшей мере один впускной клапан, открывающийся для подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в данном цикле; (4) содержит в системе подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) по меньшей мере один впускной клапан, более одного раза открывающийся, закрывающийся и находящийся в закрытом состоянии на время принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в цикле; (5) содержит камеру сгорания регулируемого или нерегулируемого объема, объем которой соответствует числовому значению геометрической степени сжатия в цикле не менее 12 (двенадцати) на всех режимах работы двигателя.

Рассмотрим преимущества предлагаемого способа и его реализацию в известном поршневом ДВС, конструктивно содержащем, по меньшей мере, одну камеру сгорания, образуемую деталями двигателя или их частями и, по меньшей мере, одним кинематически связанным с рабочим валом рабочим поршнем или поршнем-ротором, внешний источник воспламенения топлива или без него, системы подачи атмосферного воздуха, топлива и удаления отработанных газов, в частности, содержащем один рабочий цилиндр с рабочим объемом V, размещенный в нем, например, один рабочий поршень, кинематически связанный с рабочим валом, например коленчатым. ДВС предназначен для четырехтактного режима работы и также содержит систему подачи атмосферного воздуха в смеси с топливом (например, известные: карбюратор, клапанный газораспределительный механизм, содержащий один впускной клапан), систему удаления отработанных газов (известный клапанный газораспределительный механизм, содержащий один выпускной клапан), внешний источник воспламенения топлива (свечу зажигания, катушку зажигания, прерыватель и т.д.).

Для реализации предлагаемого способа в данном известном ДВС оснастим его системой подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), производящей подачу (впуск) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на данном такте возможного впуска в данном цикле, для чего, например, изменим и подберем форму нажимного кулачка впускного клапана рабочего цилиндра так, чтобы открытие впускного клапана на такте возможного впуска в цикле происходило после начала движения рабочего поршня от верхней мертвой точки (далее в.м.т.) к нижней мертвой точке (далее н.м.т.) и после прохождения рабочим поршнем расстояния, например, равного половине хода рабочего поршня от в.м.т. до н.м.т. на такте возможного впуска в цикле. При работе такого доработанного ДВС на такте возможного впуска в цикле при движении рабочего поршня от в.м.т. к н.м.т. до момента открытия впускного клапана рабочего цилиндра, то есть до начала подачи (впуска) атмосферного воздуха в смеси с топливом, будет производиться принудительное расширение газообразного содержимого рабочего объема двигателя, которое приведет к «внутреннему охлаждению» данного газообразного содержимого и создаст разрежение в рабочем цилиндре ДВС. После открытия впускного клапана рабочего цилиндра под действием созданного разрежения и дальнейшего движения рабочего поршня от в.м.т. к н.м.т. в рабочий цилиндр будет производиться подача (впуск) атмосферного воздуха в смеси с топливом, например, до завершения такта возможного впуска в цикле, сопровождающегося закрытием впускного клапана.

Очевидно, что для ДВС нашего примера создание условий «внутреннего охлаждения» в цикле, в том числе регулирование интенсивности «внутреннего охлаждения» в цикле установкой требуемого соотношения продолжительности принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя и продолжительности подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле, например, изменением и подбором формы нажимного кулачка впускного клапана рабочего цилиндра, не сопряжено с уменьшением и ограничением максимального возможного количества атмосферного воздуха, которое может быть подано в цикле для рабочего объема V, что расширяет функциональные возможности, а именно: появляется возможность использовать при работе ДВС топливо с более низким октановым числом и (или) увеличить кпд и мощность ДВС нашего примера, реализующего предлагаемый способ, если с учетом наличия и интенсивности «внутреннего охлаждения» в его цикле увеличить степень сжатия в цикле (уменьшить объем его камеры сгорания), например, до предельно допустимого значения так, чтобы температура газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте сжатия в цикле не превышала своего максимального допустимого или расчетного требуемого значения на всех возможных режимах работы двигателя.

Очевидно также и то, что в ДВС нашего примера, реализующего предлагаемый способ, известными техническими средствами могут быть реализованы и все остальные признаки предлагаемого способа и ДВС, относящиеся к подаче атмосферного воздуха или его смеси с топливом, перечисленные в формуле изобретения, например, изменением и подбором формы нажимного кулачка впускного клапана рабочего цилиндра.

Обобщая показанное выше на ДВС нашего примера, отметим, что при реализации предлагаемого способа в поршневых и роторно-поршневых ДВС любых известных конструкций предшествующее подаче (впуску) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле принудительное расширение газообразного содержимого рабочего объема («внутреннее охлаждение»), как следствие, приводит к снижению температуры газообразного содержимого рабочего объема ДВС на такте сжатия в цикле, но не сопряжено, в отличие от прототипов 2, с уменьшением и ограничением максимального возможного количества атмосферного воздуха, которое может быть подано в цикле для рабочего объема ДВС, что расширяет функциональные возможности ДВС. А именно: при реализации предлагаемого способа при том же рабочем объеме и максимальном возможном количестве подаваемого в цикле атмосферного воздуха за счет наличия «внутреннего охлаждения» в цикле известные ДВС с наддувом или без него (прототипы 1, 2) смогут функционировать, что очевидно для специалиста, с камерой сгорания меньшего объема (с более высокой степенью сжатия в цикле), что увеличит их мощность и кпд, кроме того, реализация предлагаемого способа в ДВС с наддувом предполагает увеличение их мощности увеличением интенсивности (степени) наддува, в том числе до предельно допустимого значения так, чтобы температура газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте сжатия в цикле не превышала своего максимального допустимого или расчетного требуемого значения на всех возможных режимах работы двигателя.

Таким образом, реализация в поршневых и роторно-поршневых ДВС признаков, указанных в формуле изобретения, приводит к расширению их функциональных возможностей, повышению кпд и (или) мощности известных ДВС, а вышесказанное справедливо для поршневых и роторно-поршневых ДВС любых известных конструкций, например, для ДВС с воспламенением топлива от постороннего источника или с самовоспламенением топлива, с наддувом или без него, с охлаждением подаваемого воздуха или без охлаждения, с камерой сгорания регулируемого или нерегулируемого объема, с ограничением максимального возможного наполнения в цикле или без ограничения и т.д.

1. Способ создания вращающего момента на рабочем валу поршневых и роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания, включающий подачу атмосферного воздуха и топлива в камеру сгорания, сжигание топлива, удаление отработанных газов сгоревшего топлива, заключающийся в том, что преобразуют движение рабочего поршня или поршня-ротора под действием давления газов сгоревшего топлива в цикле во вращение рабочего вала, отличающийся тем, что на такте возможного впуска в цикле производят принудительное расширение газообразного содержимого рабочего объема двигателя до начала подачи (до начала впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) или после начала и прерывания подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на данном такте возможного впуска в данном цикле, затем начинают или возобновляют начатую и прерванную в данном цикле подачу атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) и производят подачу атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) до завершения такта возможного впуска в данном цикле или до последующего принудительного прерывания подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на данном такте возможного впуска в данном цикле.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что многократно чередуют на такте возможного впуска в цикле процесс подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) с процессом принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что устанавливают требуемую или максимально возможную степень принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в цикле и (или) требуемое количество чередований и требуемое соотношение продолжительности принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя и продолжительности подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что устанавливают требуемую или максимально возможную степень принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в цикле и (или) требуемое количество чередований и требуемое соотношение продолжительности принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя и продолжительности подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле.

5. Способ по п.1, или 2, или 3, или 4, отличающийся тем, что увеличивают степень сжатия в цикле (уменьшают объем камеры сгорания) или (и) увеличивают интенсивность наддува, в том числе до предельных допустимых значений так, чтобы температура газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте сжатия в цикле не превышала своего максимального допустимого или расчетного требуемого значения на всех возможных режимах работы двигателя.

6. Поршневой или роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания, конструктивно содержащий, по меньшей мере, одну камеру сгорания, образуемую деталями двигателя или их частями и, по меньшей мере, одним кинематически связанным с рабочим валом рабочим поршнем или поршнем-ротором, внешний источник воспламенения топлива или без него, системы подачи атмосферного воздуха, топлива и удаления отработанных газов, отличающийся тем, что содержит систему подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), производящую подачу (впуск) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) на такте возможного впуска в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на данном такте возможного впуска в данном цикле.

7. Поршневой или роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.6, отличающийся тем, что содержит систему подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), многократно чередующую на такте возможного впуска в цикле подачу (впуск) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) с принудительным расширением газообразного содержимого рабочего объема двигателя.

8. Поршневой или роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.6, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один впускной клапан, открывающийся для подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в данном цикле, или содержит в системе подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), по меньшей мере, один впускной клапан, более одного раза открывающийся, закрывающийся и находящийся в закрытом состоянии на время принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в цикле.

9. Поршневой или роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.7, отличающийся тем, что содержит, по меньшей мере, один впускной клапан, открывающийся для подачи (впуска) атмосферного воздуха (или его смеси с топливом) в цикле после принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в данном цикле, или содержит в системе подачи атмосферного воздуха (или его смеси с топливом), по меньшей мере, один впускной клапан, более одного раза открывающийся, закрывающийся и находящийся в закрытом состоянии на время принудительного расширения газообразного содержимого рабочего объема двигателя на такте возможного впуска в цикле.

10. Поршневой или роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания по п.6, или 7, или 8, или 9, отличающийся тем, что содержит камеру сгорания регулируемого или нерегулируемого объема, объем которой соответствует числовому значению геометрической степени сжатия в цикле не менее 12 (двенадцати) на всех режимах работы двигателя.