Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания

, 1776840 А 1 В 27/00 51)5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ДЕТЕЛЬСТВУ ВТОРСКО 877 ф 21 И 4 Ю(56) Авторское свидетельство СССРМ 705134, кл. Е 02 В 27/00, 1976.Авторское свидетельство СССРЬ 1430570, кл. Е 02 В 27/00, 1987.Авторское свидетельствоМ 1694954, кл, Г 02 В 27/00, 1989,(54) СПОСОБ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ И ДВИГАТЕЛЬВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ(57) Изобретение позволяет повысить экономичность двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгораниясодержит по меньшей мере один цилиндр 1со встречно движущимися поршнями 6 и 7,снабженными жаропрочными вставками 11и внутренними ребрами 13, в котором посредством жестко установленных направляющих втулок 14 образуются подпоршневыеполости 35 и 36, сообщенные с дополнительным перепускным каналом 29 с возможностью использования импульсов давления продуктов сгорания, характеризуются свободным выпуском продуктов сгорания в дополнительный перепускной канал 29, сжатием в нем воздуха и перепуском его в подпоршневые полости 35, 36, где он подогревается, расширяется и выпускается в процессе расширения. Кроме того. остаточное давление выпускных газов через золотниковый клапан 23 передается в перепускной канал 28 и обеспечивает интенсивную продувку рабочей камеры, затем срабатывается в низконапорном трубонагнетателе. Рассмотрены варианты конструкции с коаксиальным расположением ресивера 16 с дополнительным свободным 3 поршнем с обратными клапанамв 29, 30, 31.37, 42, Способ и двигатель обеспечивают эффективное использование энергии расширения выпускных газов и повышение топливной экономичности двигателя. Кроме того, обеспечивается полезное использование тепла охлаждающего воздуха в подпоршневых полостях при его расширении. 2 с.и, ф-лы и 9 з.п. ф-лы. 3 ил.44-х тактном ДВС с клапанной системой газораспределения, характеризующийся исИзвестен способ гаэообмена ДВС и ус-10тройстоо для его осуществления, содержа-. 15 40 50 Изобретение относится к энергетике, а именно к способам работы и устройствамДВ С, например двухтактных дизелей.Известен способ газораспределения в пользованием энергии импульса давлениявыпуска одного цилиндра для наддува другого цилиндра,щий процесс выпуска продуктов горения в параллельно подключенных между впускным и выпускным патрубками турбонагнетатель и перепускной канал, причем в перепускном канале подвижно установлена перегородка в виде шара и кольцевой упордлч нее.Известен способ газообмена ДВС, характериэующийся тем; что в начале процесса свободного выпуска соединяют полость рабочей камеры со входом перепускного канала, затем разобщают рабочую камеру со входом перепускного канала и соединяют ее с выходом перепускного канала, с впуск- ными и выпускными патрубками, в процессах сжатия, сгорания и расширения соединяют вход перепускного канала с выпускным патрубком, а выход перепускного канала с впускным патрубком, . Предложенная в способе последовательность управления газообмена,реализуется о устройстве, содержащем золотниковый клапан с распределительными отверстиями, последовательно сообщающимися при ходе клапана с остальными выпускными окнами, со входом перепускного канала, с выпускным патрубком, причем во впускном патрубке установлен обратный клапан. Способ и устройство по указанной заявке полокительно отличается от указанных выше устройств экономичностью и эффективностью газообмена при различных скоростных режимах работы, но они не исчерпывают возможностей для дальнейшего совершенствования. Например, известно,что энергия выпускных газов существенно превосходит ее затраты на организацию газообмена (поддувки) двухтактного ДВС, это обстоятельство используется для повышесния мощности и экономичности в комбинированных поршневых двигателей, где избыток энергии выпускных газов реализуется в газовой турбине, связанной через понижающий редуктор с силовым валом двигателя. Таким образом, неполное использовэние энергии выпускных газов в указанном выше прототипе можно определить как его недостаток,20 25 30 Цель изобретения - повышение экономичности.На фиг,1 изображен один цилиндр двигателя в осевом разрезе; на фиг.2 - вариант двигателя со свободным дополнительным поршнем и с выпускным клапаном другой конструкции; на фиг.3- разрез А-Р на фиг.2. Двигатель содержит по меньшей мере один цилиндр 1 с продольными ребрами 2 воздушного охлаждения, с форсункой 3, впускными окнами 4 и впускными окнами 5; внутри цилиндра с возможностью противоположного движения оппозитно установлены поршни 6 и 7., соединенные посредством шатунов 8 с коромыслами 9. которые поворотно сопряжены с качающимися втулками, установленными на косых кривошипах вала 10 двигателя. Головки поршней имеют вставки 11, выполненные из жаропрочного материала, например, иэ стали или керамики, на внутренних поверхностях вставки выполнены охлаждающие ребра; вставка герметично и неподвижно соединена с остальной частью поршня, внутри поршня выполнены заодно целое с его юбкой гильзы М 12 Ф и продольные ребра 13; гильзы подвижно, например, посредством лабиринтных уплотнений, сопряжены с направляющими втулками 14, жестко за- . крепленными на концах цилиндра 1, Поверх оребренной поверхности цилиндра установлены кожух 15 и цилиндр-ресивер 16, концы которого соединены возоуховодом 17. Кроме того, с цилиндром ресивером 16 жестко соединен воздушный коллектор 18, который через отверстия 19 и обратный клапан 20 сообщен с помощью цилиндра ресивера 16, а через впускной патрубок 21 - с низконапорным источником сжатого воздуха: нагнетаемым, например, установленной на валу двигателя крыльчаток, низконапорным (0.03 мПа) агрегатом трубонаддува или патрубком с резонансной длиной, использующим волновые явления на впуске. Вблизи выпускных окон 5 на кожухе 45 с возможностью осевого перемещения до упора 22 установлен золотниковый клапан-распределитель 23 с внешней цилиндрической поверхностью. управляющей выпускными отверстиями 24 и с внутренней цилиндрической поверхностью, управляющей перепуском газа через канавку 25 и отверстия 26. Клапан 23 снабжен пружинами 27, поджимающими его в исходном состоянии к упору 22. Пружины могут быть другой конструкции, например, пневматическими. Клапан 23 делит полость цилиндра ресивера 16 на две части, образующие основной перепускной канал 28, функционально соответствующий прототипу, идополнительный перепускной канал 29, второй конец которого через первые обратные клапаны 30 сообщен с воздуховодом 17 и через вторые обратные клапаны 31 с охлаждающим каналом образованным ребрами 2, который через отверстия 23, ЗЗ, 34 соединен с подпоршневыми полостями 35, 36 выпускным патрубком, который тоже может иметь резонансную длину для создания разрежения и момент выпуска или сообщаться со входом низконапорного турбонагнетателя. В дополнительном перепускном клапане 29 вблизи выпускных окон 5 установлена направляющая решетка 39, состоящая иэ набора колец, соединенных радиальными элементами, Выпускные отверстия 24 обьединены выпускным коллектором 40 с выпускным патрубком 41, соединенным со входом турбины низконапорного турбонагнетателя, Обратные клапаны 20, 30, 31, 37 конструктивно выполнены в виде упругих нарезных колец, свернутых из пружинящей ленты и установленных в направляющих кольцевых канавках, Клапаны 31, 37 установлены в одной общей проточке, которое обеспечивает его автоматическое открытие при падении давления в подпоршневых полостях 35 36 до минимальной величины. Часть отверстий 33 снабжена обратными клапанами 42. На фиг.2 изображен вариант устройства, имеющий следующие конструктивные особенности; в дополнительной перепускной полости установлен с возможностью осевого перемещения дополнительный поршень 43 в виде пустотелого кольца, выполненного иэ левого жаропрочного материала, например, из титанового сплава или углепластика. Масса поршня в несколько раз меньше массы клапана 23. Со стороны "холодного" торца поршень имеет впускные отверстия 44 с четвертыми обратными клапанами 45 и дросселирующие отверстия 46, сообщающиеся с зазором в полости дополнительного перепускного канала 29 между поршнем и кожухом 15, образующими аэростатический подшипник. Поршень 43 снабжен цилиндрическими выступами 47 и 48, образующими в крайних положениях осевого хода пневматические буферные полости, исключающие удары о стенки цилиндра-ресивера 16, Сопряжения между поршнем и стенками канала по наружному и внутреннему диаметрам выполнены с канавками лабиринтных уплотнений; выпускные клапаны подпоршневых полостей выполнены в виде . шайб 49 с пружинами 50, имеющими описанное выше определенное усилие для автоматического открытия клапана, на торце поршня установлены толкатели 51 с пружи Одновременно сжатый воздух в воздуховоде 17 открывает клапаны 30 и обеспечивает 50 пРодувку дополнительного перепускногоканала 29; клапаны 31, 37 при этом закрыты, клапан 23 сначала тормозится давлением сжатого воздуха, останавливается, а затемдвижется обратно. После перекрытия поршнями окон 4, 5 продуктов заканчивается, осуществляется процесс сжатия, при этомсжатый воздух в полостях 35, 36, давлениекоторого существенно возросло от подогрева, расширяется и совершает полезную работу, уменьшая усилия на поршнях в процессесжатия. Клапан 23 возвращается в 510152025 ЗО 35 40 45 нами 52, Возможно исполнение поршней без толкателей 51 и пружин 52, но с увеличенным ходом пружин 50 клапанов 49; поршни, выполненные с торцовой стенкой 53, а внутреннее оребрение поршня сообщено с воздушной форсункой 54.Реализация способа работы и действие двигателя осуществляется следующим образом.После прямоточно-вихревой продувки рабочей камеры цилиндра 1 через окна 4, 5 движущиеся навстречу друг другу поршни б, 7 осуществляют сжатие воздушного заряда, вблизи верхней мертвой точки форсункой 3 производится впрыск топлива и его последующее сгорание в интенсивной вихревойзоне камеры сгорания, В конце процесса расширения (при угле поворота вала примерно 120 от В.М,Т), когда рабочая торцевая поверхность клапана 23 перемещаясь, обеспечивает свободный выпуск продуктовсгорания и ри значител ьном давлении (О 37 мПа) в дополнительный перепускной канал 29, вдоль которого распространяется ударная волна сжатия, под воздействием которой закрываются клапаны ЗО, 37 и открывается клапан 31, сжатый воздух через отверстия 32, через каналы между ребрами 2, отверстия 33, 34 проникает в подпоршневые полости 35, 36 и в каналы между ребрами 13 и, охлаждая их, нагревается. В процессе свободного выпуска решетка 39 устраняет турбулизацию и интенсивное перемешивание горячих газов с хблодным воздухом, выравнивает фронт ударной волны. При фазе 140 клапан смещается дальше и его внутренняя кромка открывает кольцевую щель в канавку 25, и продукты сгорания через отверстия 26 расширяются в перепускной канал 28, осуществляя сжатие воздуха в полости канала и в воздуховоде 17, затем клапан перемещается в положение, при котором открываются выпускные окна 24 и впускные окна 4, осуществляется продувка рабочей камеры цилиндра 1 сжатым воздухом из полости 2810 25 35 45 50 55 первоначальное положение, при котором выпускные отверстия 24 открыты в канал 28, сжатый воздух из коллектора 18 отжимает клапаны 20 и через отверстия 19, 24 вентилирует канал 28 от продуктов сгорания. В конце процесса сжатия давления в подпоршневых полостях. 35, 36 падает и уже не обеспечивает поддержание клапанов 37 в закрытом состоянии; последние силами упругости автоматически открываются и обеспечивают выпуск воздуха в процессе расширения через отверстия 38 в выпускной патрубок. Обратные клапаны 42 препятствуют "заклиниванию" воздуха в полостях 36 и каналах между ребрами 2 обеспечивая при энакопеременных направлениях его пульсации общее поступательное движение и замену горячего воздуха холодным. Действие варианта устройства (фиг.2) имеет следующие особенности. поршень 43 обеспечивает разделение горячих продуктов сгорания и холодного воздуха в дополнительной перепускной полости, позволяет уменьшить коэффициент избытка продувоч. ного воздуха, способствует более полному использованию энергии выпускных газов благодаря устранению дросселирования и "мятия" газа при ударном расширении в канал 29, В. процессе свободного выпуска в отверстия 44 через клапан 45 проникает сжатый воздух, который через дроссельные отверстия 46 поступает в зазор газостатического подшипника и обеспечивает надежное безызносное и легкое движение поршня и бесконтактными уплотнениями. Обратные клапаны 49, установленные на обоих концах цилиндра, закрываются толкателями 51 при подходе поршня к н.м,т.; при . положении поршня вблизи В.М.Т. они автоматически открываются пружинами 40 и обесточивают выпуск воздуха через отверстия 56. При отсутствии в конструкции толкателей 51 его функции выполняют непосредственно торцовая стенка 53 поршня, Вариация поршня с торцовой стенкой 53 обеспечивает охлаждение поршня внешним источником воздуха через форсунку 54, при этом охлаждение может быть более эффективным благодаря. меньшей температуре воздуха. Возможен упрощенный вариант способа работы и исполнения двигателя, характеризующийся тем, что из устройства исключены канавки 25, отверстия 26, а выпускные отверстия 24 на всех режимах работы разобщены с каналом 28. Способы работы в этом варианте отличается тем, что после сжатия и перепуска воздуха из канала 29 в поршневые полости 35, 36 в процессе свободного выпуска исключается фаза перепуска продуктов сгорания в канал 28 и выпуск газов происходит через отверстия 24 в турбонагреватель. Поджатие воздуха в канале 28 осуществляется при этом движением поршня-клапана 23.Формула изобретения 1, Способ работы двигателя внутреннего сгорания путем продувки цилиндра предварительно сжатым воздухом, дополнительного. сжатия воздуха в цилиндре, подачи топлива в сжатый воздух, сгорания, расширения продуктов сгорания и их выпуска с использованием импульсов давления в перепускном канале между выпускным и впускным патрубками путем перепуска продуктов сгорания в начале выпуска на вход перепускного канала, отсоединенного от впускного патрубка, причем часть воздуха сжимают в перепускном канале, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения экономичности, перед перепуском продуктов сгорания на вход перепускного канала- осуществляют перепуск продуктовсгорания на входдополнительного перепускного канала, выход которого соединяют с подпоршневыми полостями цилиндра, во время продувки часть предварительно сжатого воздуха направляют на выход дополнительного перепускного канала оставшиеся продукты сгорания направ 30 ляют в выпускной патрубок, соединяя его с входом дополнительного перепускного канала, а в фазе расширения воздух из подпоршневых полостей цилиндра перепускают в выпускной патрубок,2. Двигатель внутреннего сгорания. содержащий по меньшей мере один цилиндр с впускными окнами, соединенными впускным патрубком с источником предварительно сжатого воздуха, и выпускными окнами, соединенными с выпускным патрубком через выпускной коллектор, поршни, размещенные в цилиндре с воэможностью движения навстречу друг другу, перепускной канал, соединенный входом с выпуск-. ным патрубком через золотниковый клапан-распределитель, а выходом - с впускным патрубком, о т л и ч а ю щ и й с я тем. что, с целью повышения экономичности, он выполнен с подпоршневыми полостями и снабжен дополнительным перепускным каналом, вход которого соединен с выпускными окнами, и воздуховодом, соединяющим через первые обратные клапаны выход перепускного канала с выходом дополнительного перепускного канала, подпоршневые полости соединены через вторые обратные клапаны с выходом дополнительного перепускного канала и через третьи обратные клапаны с выпускным патрубком, а золотни1776840 10 Составитель К.ДементьеТехред М.Моргентал актор ректор Н.Реаская аказ 4108 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж; Раушская наб., 4/5 роизводственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 ковый клапан-распределитель установлен вперепускном канале,3. Двигатель по п.2, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что дополнительный перепускной каналсоединен с подпоршневыми полостями посредством воздушных каналов, образованных наружной поверхностью цилиндра соребрением и установленным на ней кожухом.4. Двигатель по пп.2 и 3, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что перепускные каналы выполненыв виде коаксиального цилиндра-ресивера свыпускными отверстиями в наружной поверхности и.перепускной канавкой на внутренней поверхности, а золотниковый 15клапан-распределитель выполнен в видекольцевого поршня с радиальными отверстиями в направляющей поверхности.5. Двигатель по и п.2-4, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что подпоршневые полости в поперечном сечении выполнены кольцевойформы и сообщены с внутренними полостями поршней, выполненными оребренными,6. Двигатель по пп,2 - 4, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что внутренние полости поршней разобщены с подпоршневыми полостями и связаны с источником сжатого воздуха. 7. Двигатель по пп.2-6, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что обратные клапаны выполнены в виде упругих разрезных колец, размещенных в кольцевых канавках на сопряженных цилиндрических поверхностях.8.Двигатель по пп.2-7, о тл и ча ющий с я тем, что в одной канавке установлены два совмещенных в осевом направлении кольца, одно из которых сопряжено с внутренней, а другое - с наружной цилиндрической поверхностью,9.Двигательпо пп 2,3;4 и 6. отл и чаю щи й с я тем, что третьи обратные клапаны выполйены в виде подпружиненных кольцевых шайб, сопряженных с торцовыми стенками подпоршневых полостей и поршней.10.Двигатель по пп,2,3,4,6,7 и 9, отл ич а ю щ и й с я тем, что в дополнительном перепускном канале установлен дополнительный поршень с возможностью осевого перемещения.11. Двигатель по пп.2,3,4, 6,7,9 и 10, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что дополнительный поршень выполнен с внутренней полостью и снабжен четвертыми обратными клапанами и дросселирующими отверстиями с возможностью сообщения внутренних полостей дополнительного поршня и дополнительного перепускного канала,