Способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания и устройство подачи воздуха для осуществления данного способа

Группа изобретений относится к поршневым двухтактным двигателям, предназначенным для летательных аппаратов и другой техники, работающей в разреженном воздухе. Технический результат заключается в повышении эффективности очистки цилиндра. Сущность изобретений заключается в том, что способ питания двигателя включает удаление отработанных газов сжатым воздухом высокого давления перед прохождением поршнем верхней мертвой точки (ВМТ), а также формирование рабочей смеси сжатым воздухом высокого давления, подаваемым после прохождения им ВМТ. Для этого используют устройство подачи воздуха, содержащее двухкамерный ресивер с камерами разного объема, с управляемыми впускными, для камеры сгорания, клапанами и компрессор с впускным и выпускными клапанами. Малая камера (секция) предназначена для активной продувки камеры сгорания, а основная - для формирования рабочей смеси. Объем основной секции ресивера, по меньшей мере, равен объему камеры сгорания. Изобретения обеспечивают более полное удаление отработанных газов и максимальное содержание кислорода в рабочей смеси, повышение мощности и коэффициента полезного действия, снижение токсичности выхлопных газов и сохранение работоспособности в условиях разреженного воздуха на больших высотах. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к области двигателей внутреннего сгорания, использующих жидкое или газообразное топливо, а именно к способам питания и конструкциям газораспределительных систем поршневых двухтактных двигателей, предназначенных для летательных аппаратов и другой техники, работающей в разряженном воздухе.

Предшествующий уровень техники

Известен патент РФ на изобретение № 2023181, МПК F02B 37/00, F02D 23/00, «Способ питания четырехтактного двигателя внутреннего сгорания». Способ осуществляется следующим образом. Во время впуска, когда открывается впускной клапан и поршень, опускаясь, создает разрежение, в цилиндр всасывается горючая смесь или свежий воздух, после чего впускной клапан закрывается. В начале сжатия открывается дополнительный впускной клапан и осуществляется дозарядка цилиндра свежим зарядом от источника сжатого газа. На ходе расширения открывается выпускной клапан и осуществляется выпуск отработавших газов из цилиндра. Для продувки цилиндра и очистки его от отработавших газов открывается дополнительный впускной клапан. Открытие впускного клапана осуществляется после закрытия выпускного клапана и дополнительного впускного клапана, а повторное открытие дополнительного впускного клапана осуществляется после закрытия впускного клапана.

Известен патент РФ на изобретение № 2176323, МПК F02G 3/02, F02B 33/22, F02B 47/02, «Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания». Изобретение относится к области двигателестроения, в частности к поршневым двигателям внутреннего сгорания. Изобретение позволяет снизить затраты энергии и повысить кпд двигателя. Способ работы двигателя внутреннего горения включает сжатие воздуха в компрессорном цилиндре, перепуск его через тепловоспринимающий газовый тракт рекуперативного теплообменника в камеру сгорания, сжигание в камере сгорания топлива, расширение продуктов сгорания в расширительном цилиндре и выпуск отработавших газов с охлаждением в рекуперативном теплообменнике и регенерацией тепла с использованием воды и водяного пара в теплопередающем и тепловоспринимающем трактах регенеративного теплообменника, отличающееся тем, что перепускаемый сжатый воздух накапливают в охлаждаемом ресивере-накопителе, охлаждают, а затем возвращают в компрессорный цилиндр, дополнительно сжимают и подают на вход тепловоспринимающего газового тракта рекуперативного теплообменника. Новизна двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что в системе отбора сжатого воздуха выход компрессорного цилиндра и вход тепловоспринимающего тракта рекуперативного теплообменника соединены через накопительную и распределительную систему сжатого воздуха, два ресивера-накопителя которой теплоизолированы, снабжены тепловыми накопителями и связаны замкнутой системой охлаждения.

Известен патент РФ на изобретение № 2516044, МПК F02B 55/02, F01C 1/356, F02B 19/02, F16J 15/40, «Роторно поршневой двигатель». Изобретение относится к двигателестроению. Роторно-поршневой двигатель содержит корпус, ротор с цилиндрическим уступом, камеру сгорания, топливную форсунку, воздушный компрессор высокого давления и рекуперативный теплообменник для нагрева воздуха после компрессора теплом отходящих газов. Ротор расположен в торцевых крышках. Цилиндрический уступ ротора выполнен в виде профильного кулачка. В пазу корпуса установлен каркас в виде двух направляющих пластин и верхней крышки. Внутри направляющих пластин размещена радиальная лопатка. На верхней крышке смонтированы подпружиненный поршень и два подпружиненных упора с зазором 0,2…0,5 мм относительно верхнего торца лопатки. Подпружиненный поршень соединен с лопаткой. В самой лопатке и направляющих пластинах, а также в торцевых крышках и корпусе выполнены каналы для воздушного уплотнения ротора. Двигатель снабжен двумя теплоизолированными камерами сгорания периодического действия. В каждой камере установлены клапаны впуска и выпуска, топливная форсунка с пневмоприводом и поршень для изменения геометрического объема камеры. На линии подачи воздуха от компрессора в двигатель установлены два ресивера. Один ресивер со встроенным электронагревателем установлен после рекуперативного теплообменника и подсоединен к камерам сгорания. Второй ресивер установлен до рекуперативного теплообменника. К магистрали подачи сжатого воздуха после второго ресивера подключена пневматическая система в виде редукционных клапанов, ресиверов и электромагнитных клапанов. Изобретение направлено на повышение эффективности и ресурса двигателя.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является патент РФ на изобретение № 2032105, МПК F02M 23/00, «Система питания двигателя внутреннего сгорания». Сущность изобретения: система содержит карбюратор с главным проточным воздушным каналом, всасывающий коллектор с патрубком подвода топливовоздушной смеси во впускной канал головки цилиндра двигателя, магистраль подвода вторичного воздуха в патрубок и клапан, установленный в магистрали. Клапан имеет корпус, подпружиненный запорный орган и регулировочный элемент для натяжения пружины клапана. Корпус выполнен за одно целое с патрубком коллектора и размещен в узле разветвления коллектора.

Недостатком прототипа и других способов питания и конструкций известных поршневых двигателей внутреннего сгорания с дополнительной продувкой цилиндра является неполное удаление отработанных газов со снижением остатка с 6 - 8 процентов до 3 - 4 процентов и частичное обогащение рабочей смеси дополнительным количеством воздуха около 10 процентов, что увеличивает мощность на 10 - 12 процентов, как при использовании способа питания с наддувом поступающего воздуха и соответствующих конструкций. Серьезным недостатком известных способов питания и конструкций поршневых двигателей внутреннего сгорания является снижение давления рабочей смеси с увеличением высоты нахождения двигателя над уровнем моря, что приводит к ухудшению условий сгорания топлива и, как следствие, снижению мощности, коэффициента полезного действия, повышению токсичности выхлопных газов и ограничению работоспособности по высоте.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания и ресивера для осуществления данного способа, с усовершенствованной системой удаления отработанных газов, при которой достигают более полного удаления отработанных газов из камеры сгорания, а также формирования более качественной рабочей смеси в условиях разряженного воздуха, что обеспечит повышение мощности и коэффициента полезного действия, снижение токсичности выхлопных газов и работоспособность на больших высотах.

Поставленная задача решена за счет того, что способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания включает удаление отработанных газов сжатым воздухом высокого давления в короткий промежуток времени перед прохождением поршнем верхней мертвой точки, а также формирование рабочей смеси сжатым воздухом высокого давления, подаваемым в короткий промежуток времени после прохождения поршнем верхней мертвой точки. Для реализации указанного способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания используют устройство подачи воздуха, содержащее двухкамерный ресивер, с камерами разного объема, с управляемыми впускными, для камеры сгорания, клапанами и компрессор с впускным и выпускными клапанами. Ресивер сжатого воздуха выполнен для высокого давления (около 2 Мпа). Малая секция предназначена для активной продувки камеры сгорания, а основная секция - для формирования рабочей смеси. Объем основной секции ресивера, по меньшей мере, равен объему камеры сгорания.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

На фиг. 1 – Схематично показан поршневой двигатель внутреннего сгорания в сечении в момент движения поршня вверх к верхней мертвой точке.

На фиг. 2 – Схематично показан поршневой двигатель внутреннего сгорания в сечении в момент движения поршня вниз к нижней мертвой точке.

Продувку камеры сгорания для удаления отработанных газов осуществляют сжатым воздухом высокого давления в короткий промежуток времени перед прохождением поршнем верхней мертвой точки, а для формирования рабочей смеси сжатый воздух высокого давления подают в короткий промежуток времени после прохождения поршнем верхней мертвой точки.

Для реализации указанного способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания 1 в поршневом двухтактном двигателе внутреннего сгорания 1 ресивер 6 сжатого воздуха выполнен для высокого давления (около 2 Мпа) и состоит из двух камер 11, 12 разного объема, где малая камера ресивера 11 предназначена для активной продувки камеры сгорания 5, а основная камера ресивера 12 - для формирования рабочей смеси. На выходе каждой камеры 11,12 ресивера 6 установлены отдельные управляемые впускные для камеры сгорания клапана 13, 14; малый впускной клапан 13 открывают на короткий промежуток времени перед прохождением поршнем 3 верхней мертвой точки при открытом выпускном клапане 15 камеры сгорания 5 - клапане удаления отработанных газов, обеспечивая активную продувку камеры сгорания 5, а основной впускной клапан 14 отрывают на короткий промежуток времени после прохождения поршнем 3 верхней мертвой точки при закрытом выпускном клапане 15 камеры сгорания 5 - клапане удаления отработанных газов, обеспечивая при этом подачу сжатого воздуха для формирования рабочей смеси. Объем основной камеры ресивера 12, по меньшей мере, равен объему камеры сгорания 5 (около 10 процентов объема цилиндра). (см. фиг. 1, 2).

Конструкция поршневого двухтактного двигателя внутреннего сгорания включает цилиндр 2 с поршнем 3, рабочей орган 10, компрессор высокого давления 7, ресивер 6 с малой камерой 11 и основной камерой 12, топливную систему с форсункой впрыскивания 8, систему зажигания со свечой 9, систему смазки и систему охлаждения (на фиг. не показаны). (см. фиг. 1, 2).

Перед запуском двигателя 1 ресивер 6 наполняют сжатым воздухом необходимого давления, например, прокруткой двигателя 1.

Для запуска двигателя поршень 2 приводится в положение движения вверх, при котором основной объем отработанных газов через клапан 15 удаляется наружу. Перед прохождением поршнем верхней мертвой точки (фиг.1-А) открывается клапан 13, через который из малой секции 11 ресивера поступает порция сжатого воздуха и активно продувает камеру сгорания.

После прохождения поршнем верхней мертвой точки клапана 13 и 15 закрываются, открывается клапан 14, через который основная порция сжатого воздуха из основной камеры 12 ресивера подается в камеру сгорания 5 для формирования рабочей смеси (см. фиг. 2). Одновременно в камеру сгорания 5 форсункой 8 впрыскивается топливо и воспламеняется свечой зажигания 9. Под действием давления газов сгорания поршень 3 движется вниз, вращая рабочий орган 10. При вращении рабочего органа 10 компрессор 7 через клапан 16 забирает воздух из окружающей среды и через клапана 17 и 18 закачивает в ресивер 6, восстанавливая в нем необходимое давление.

После достижения поршнем 3 нижней мертвой точки открывается клапан 15, поршень 3 начинает движение вверх и выталкивает основную часть отработанных газов наружу. Далее цикл повторяется.

Объем основной камеры 12 ресивера, по меньшей мере, равен объему камеры сгорания 5, а объем малой камеры 11 ресивера меньше объема основной камеры 12 ресивера, по большей мере, пропорционально отношению объема камеры сгорания 5 к объему рабочего хода поршня 3. Максимальное давление воздуха в ресивере 6 указанного объема должно быть в 2 раза больше требуемого давления рабочей смеси, так как после открытия клапана 14 основной камеры ресивера 12 общий объем для воздуха при положении поршня 3 в верхней мертвой точке увеличивается в 2 раза.

Предложенный способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания и устройство подачи воздуха для осуществления данного способа позволяет обеспечить следующие важные свойства поршневого двигателя внутреннего сгорания. Подача фиксированной малой порции воздуха в камеру сгорания перед началом цикла позволяет удалить большую часть остатка отработанных газов, а подача фиксированной большой порции воздуха позволяет сформировать стабильную рабочую смесь с максимальным содержанием кислорода, что повышает мощность двигателя, коэффициент полезного действия, снижает токсичность выхлопных газов и обеспечивает работоспособность в условиях разряженного воздуха на больших высотах.

Предлагаемый способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания и устройство подачи воздуха для осуществления данного способа могут быть использованы на существующих поршневых четырехтактных двигателях внутреннего сгорания для их переоборудования в двухтактные двигатели повышенной мощности.

Преимущества перед прототипом:

1. Работоспособность на больших высотах.

2. Достижение более полного удаления отработанных газов из камеры сгорания.

3. Формирование более качественной рабочей смеси в условиях разряженного воздуха.

4. Повышение мощности и коэффициента полезного действия двигателя.

5. Снижение токсичности выхлопных газов.

Все вышеперечисленное говорит о выполнении поставленной задачи и промышленной применимости способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания и устройства подачи воздуха для осуществления способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Перечень позиций:

1. двигатель внутреннего сгорания

2. цилиндр

3. поршень

4. устройство подачи воздуха

5. камера сгорания

6. двухкамерный ресивер

7. компрессор

8. форсунка

9. свеча зажигания

10. рабочий орган

11. малая камера ресивера

12. основная камера ресивера

13. управляемый малый впускной клапан малой камеры ресивера

14. управляемый основной впускной клапан основной камеры ресивера

15. выпускной клапан камеры сгорания

16. впускной клапан компрессора

17. выпускной клапан компрессора

18. выпускной клапан компрессора

1. Способ питания поршневого двигателя внутреннего сгорания, включающий: открытие малого впускного клапана с подачей через него сжатого воздуха для продувки камеры сгорания; выпуск отработавших газов из камеры сгорания через ее выпускной клапан; закрытие выпускного клапана и малого впускного клапана; заполнение камеры сгорания дополнительным свежим зарядом сжатого воздуха через основной впускной клапан для формирования рабочей смеси с одновременным впрыском топлива для воспламенения рабочей смеси свечой зажигания,

отличающийся тем, что

подачу сжатого воздуха осуществляют с помощью устройства подачи питания, выполненного в виде компрессора высокого давления и двухкамерного ресивера с камерами разного объема, малой и основной, где каждая камера ресивера снабжена управляемым впускным для камеры сгорания клапаном, при этом во время движения поршня к верхней мертвой точке открывают выпускной клапан камеры сгорания и удаляют основной объем отработавших газов, после чего, перед прохождением поршнем верхней мертвой точки, открывают малый впускной, для камеры сгорания, клапан малой камеры ресивера, через который подают порцию сжатого воздуха для активной продувки камеры сгорания, после прохождения поршнем верхней мертвой точки, открывают основной впускной, для камеры сгорания, клапан основной камеры ресивера и подают сжатый воздух для формирования рабочей смеси, при этом одновременно с открытием основного впускного, для камеры сгорания, клапана основной камеры ресивера, производят впрыск топлива форсункой и воспламеняют рабочую смесь свечой зажигания, в результате чего поршень начинает движение к нижней мертвой точке, передавая вращательное движение рабочему органу, при этом компрессор устройства подачи питания, связанный с рабочим органом, забирает воздух через входной клапан компрессора из окружающей среды и закачивает воздух высокого давления в камеры ресивера через свои выпускные клапаны, далее весь цикл повторяют.

2. Устройство подачи воздуха для осуществления способа питания поршневого двигателя внутреннего сгорания по п. 1 содержит: двухкамерный ресивер, с камерами разного объема, малой и основной, и управляемыми впускными, для камеры сгорания, клапанами и компрессор с впускным и выпускными клапанами, причем объем основной камеры ресивера равен, по меньшей мере, объему камеры сгорания, а объем малой камеры ресивера всегда меньше объема основной камеры ресивера, при этом малая камера ресивера связана с камерой сгорания малым впускным, для камеры сгорания, клапаном, а основная камера ресивера связана с камерой сгорания основным впускным, для камеры сгорания, клапаном, причем каждая камера ресивера связана с компрессором через выпускные клапаны компрессора, а впускной клапан компрессора выполнен с обеспечением возможности забора воздуха из окружающей среды.